WO1990014571A1

WO1990014571A1 - Kopfstück eines wärmetauschers

Info

Publication number: WO1990014571A1
Application number: PCT/EP1990/000748
Authority: WO
Inventors: Heinz Peter Ulrich
Original assignee: Deutsche Carbone Aktiengesellschaft
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-09
Publication date: 1990-11-29
Also published as: DE3916316A1

Abstract

Einstückiges Kopfstück eines Wärmetauschers mit einem Druckraum, der in druckdichter Strömungsverbindung mit Wärmetauscherrohren (11) steht, wobei das Kopfstück aus einem Rohrstück (19) mit Öffnungen in seiner Wand für den Anschluss der Wärmetauscherrohre (11) besteht.

Description

KOPFSTÜCK EINES WÄRMETAUSCHERS

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Die Erfindung betrifft ein Kopfstück eines Wärmetauschers mit einem Druckraum, der in druckdichter Strömungsverbindung mit Wärmetauscherrohren steht.

Soweit bekannt werden derartige Kopfstücke nach dem Stand der Technik mehrteilig aus Blech gefertigt. Dies ist aber aufwendig und die derart hergestellten Kopfstücke sind nicht immer hochbelastbar, insbesondere wenn aggressive Medien den Wärmetauscher durchströmen und/oder die Medien unter hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen stehen.

Die DE-OS-1,479,420 beschreibt ein derartiges Kopfstück, bei dem die Rohrenden der Wärmetauscherrohre mit einem geeigneten Harz umgössen sind. Zum Haltern der Wärmetauscherrohre dient dort eine Platte mit dornartigen Fortsätzen, die in die Rohrenden der Wärmetauscherrohre eingesetzt werden. Nach dem Aushärten der Harzmasse wird die Montagehilfe (Platte mit Dornen) nach unten herausgezogen und das Kopfstück ist fer- ^t:Lg-

Hieran ist es aber insbsondere nachteilig, daß dieses Kopf¬ stück zur Außenseite noch offen ist. Damit sind dort aber die ganz wesentlichen Nachteile verbunden, daß es zu Abdichtungs- Problemen zwischen dem dort ja zu einer Seite offenen Teil- Kopfstück kommt. Hier ist auch zu berücksichtigen, daß der Raum unter Mediendruck steht und die Abdichtungen müssen diesem Druck standhalten und auch den im Kopfstück herr¬ schenden, oft recht hohen Temperaturen. Außerdem ist mit dem Angriff aggressiver Medien zu rechnen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Kopfstück vorzuschlagen, das kostengünstig hergestellt werden kann und allen in der Praxis gestellten Anforderungen genügt, insbesondere bezüglich Druckfestigkeit, Korrosionsbeständig¬ keit und/oder Temperaturfestigkeit.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das einstückig ausgebildete Kopfstück aus einem Rohrstück mit Öffnungen in seiner Wand für den Anschluß der Wärmetauscherrohre besteht.

Nach Anspruch 2 kann der Anschluß über Rohransatzstücke erfolgen. Diese Ansatzstücke sind Teil des Druckraums und vereinfachen die Montage, weil sie gleichzeitig zum Fixieren der Wärmetauscherrohre dienen. Auch ergeben sich bei Einsatz dieser Ansatzstücke vergrößerte Dichtflächen zwischen den Teilen, die nach Anspruch 3 mit einem zusätzlich vorgesehenen Klebemittel versehen werden können, um eine wirklich allen Anforderungen standhaltende Abdichtung zu erhalten.

Wichtig sind auch die Merkmale von Patentanspruch 4, wonach das Rohrstück mit den mit ihm verbundenen Enden der Wärme¬ tauscherrohre mit einer aushärtbaren Masse umgössen ist. Diese Masse dient als Korrosionsschutz für das Rohrstück, ggf. mit den Ansatzstücken, wobei dann diese Teile nicht mehr aus korrosionsbeständigen und teueren Materialien hergestellt werden müssen. Außerdem ergibt der aus der ausgehärteten Masse hergestellte Körper an den hier kritischen Dichtflächen zwischen den Enden der Wärmetauscherrohre und dem Rohrstück bzw. den Ansatzstücken eine zusätzliche Abdichtung. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 - schematisch eine Ansicht eines Wärmetauschers zur Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise, wobei dessen Kopfstücke nach dem Stand der Technik ausgebildet sind;

Fig. 2 - eine teilweise geschnittene Ansicht eines

Wärmetauschers mit Kopfstücken, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind;

Fig. 3 - 8 - Verfahrensschritte zur Erläuterung der Herstellung der Kopfstücke nach der Methode des verlorenen Kerns, und zwar im einzelnen

Fig. 3 - eine Ansicht des verlorenen Kerns;

Fig. 4 - eine Ansicht von Fig. 3 in Richtung des Pfeiles λ;

Fig. 5 - den verlorenen Kern nach Fig. 3 und 4 mit Formgehäuse, Rohrenden und Gießmasse;

Fig. 6 - eine Ansicht von Fig. 5 in Richtung des Pfeiles A;

Fig. 7 - die Situation nach Fig. 5 und 6 nach des Herausschmelzen des verlorenen Kerns;

Fig. 8 - eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A von Fig. 7;

Fig. 9 - perspektivisch eine abgeänderte Ausfuhrungs- form eines Wärmetauschers mit hinterem Kopf¬ stück, wobei das vordere Kopfstück noch nicht hergestellt worden ist; Fig. 10 - die Situation von Fig. 9 nach der Herstellung auch des vorderen Kopfstücks, wobei Teile zur Verdeutlichung abgebrochen gezeichnet sind;

Fig. 11 - eine Ansicht zur Erläuterung des Her¬ stellungsverfahrens eines derartigen Kopf¬ stücks mit Hilfe eines hohlen, druckfesten Formkörpers;

Fig. 12 - eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B von Fig. 11.

Herkömmliche Wärmetauscher, wie in Fig. 1 gezeigt, setzen sich im allgemeinen aus Wärmetauscherelementen 1, beispielsweise Rohrbündeln, und Anschlußteilen 2 zusammen. Während die Wärmetauscherelemente dem Wärmeaustausch zwischen den Stoffräumen I und II dienen, dienen die Anschlußteile zum Verschließen des Stoffraums II.

Die Anschlußteile 2 werden beim Stand der Technik mittels

Spannvorrichtungen 3 mit den Wärmetauscherelementen 1 schlüssig verspannt. Die Abdichtung erfolgt allgemein mittels Dichtungen 4.

Erfindungsgemäß wird eine Lösung gezeigt, die nach Fig. 2 ein Verspannen und Abdichten der λnschlußteile mit dem Wärmetauscherelement unnötig macht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man das Kopfteil 3 des Wärmetauschers mitsamt dem AnschlüBteil 2 einstückig ausführt, wobei die Zufuhr des Wärmeträgermediums in den Stoffraum II über einen erfindungsgemäβ in das Kopfstück 3 eingearbeiteten Hohlraum 4 erfolgt.

Bei dem Herstellungsverfahren nach Fig. 3 bis 8 wird der Hohlraum 4 durch ein Kernschmelzverfahren hergestellt.Dies wird im folgenden näher erläutert.

Zunächst stellt man einen später zu schmelzenden Kern 5 her. Hierzu wird ein thermisch leicht schmelzbares Produkt, z.B. Paraffin, in eine definierte Form 6 gegeben, die in ihren äußeren Abmessungen und in ihrer Form dem herzustellenden Hohlraum 4 entspricht. Einstückig mit diesem Hohlraum werden ein Ansatz 7 und mehrere Fortsätze 8 aus demselben,leicht schmelzenden Material hergestellt.

Der mit diesem Arbeitsgang erzeugte Kern 5 kann nun mittels Haltevorrichtungen in einem äußeren Formelement 9 fixiert werden. Dies ist in Fig. 5 und 6 gezeigt.

Wird nun der sich ergebende Hohlraum zwischen dem Kern 5 und dem Formelement 9 mit einem thermisch oder katalytisch aushärtbaren Medium ausgefüllt, so erhält man einen Formkörper 10 mit den geometrischen Außenabmessungen des äußeren Formelements 9.

Die Fig. 5 und 6 zeigen auch, daß formgebend für den Formkörper 10 auch die Rohrenden 11 des Wärmetauschers sind, die in das äußere Formelement 9 hineinragen. Außerdem zeigen die Fig. 5 und 6, daß der Ansatz 7 aus dem Formelement 9 herausgeführt ist und daß die Fortsätze 8 in die Rohrenden 11 eingesetzt sind. Wird nun nach dem Aushärten des Formkörpers 10 und dem Entfernen des Formelements 9 die aus dem Formkörper 10 und dem verlorenen Kern 6,7,8 bestehende Einheit über den Schmelzpunkt des Materials (Paraffin) erwärmt, so läuft das jetzt verflüssigte Material über den bei Pos. 7 gebildeten Kanal aus und es ergibt sich die Konfiguration nach Fig. 7 und 8, d.h. das fertige Kopfstück mit Hohlraum 4 und angegossenen Rohrenden 11 und einer Öffnung 12, die dem Ansatz 7 des verlorenen Kerns entspricht. Der Hohlraum 4 entspricht somit in seinen Abmessungen dem Kern 6.

Nach dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, Wärmetauscherelemente ähnlich Fig. 2 zu fertigen. Herbei ist der innere Kern 5 so auszuführen, daß er in seiner Form der Geometrie der Wärmetauscherelemente entspricht. Als Wärmetauscherelemente können Rohre mit jeglicher Querschnittsform, beispielsweise rund, oval, eckig, lamellenförmig usf., verwandt werden. Der innere Kern 5 muß weiterhin so ausgeführt sein, daß er nach dem Ausschmelzen die beiden Kopfstücke des Wärmetauschers miteinander verbindet, und zwar über das Rohrbündel.

In Kleinfeuerungsanlagen kommen vielfach modular aufgebaute Wärmetauscherelemente zum Einsatz. Um den thermischen und auch physikalischen wie auch chemischen Beanspruchungen zu widerstehen, üssen diese Wärmetauscherelemente vielfach aus einem hochkorrosionsfesten Werkstoff gefertigt werden. Hierzu bietet sich vorzugsweise der Einsatz von keramischen Werkstoffen an, beispielsweise imprägnierter Elektrographit, Silliziu carbid und dergleichen. Dies wird im folgenden anhand der Fig. 9 und 10 durch ein Beispiel näher verdeutlicht. Die dort verwendeten Wärmetauscherelemente sind Rohre aus imprägniertem Elektrographit in rechteckiger Ausführung Pos. 13. Bei diesem Rohrtyp wird das flüssige Wärmeträgermedium des Stoffraums II durch Bohrungen 14 geführt und das gasförmige Wärmeträgermedium des Stoffraums I wird durch Spalte 15 zwischen den Rohrreihen geführt. Die Zu- und Ableitung des flüssigen Wärmeträgermediums II erfolgt über den erfindungsgemäβ erzeugten Hohlraum in den Kopfstücken des Wärmetauschers.

Für die Herstellung der Hohlräume des Wärmetauschers wird zunächst ein innerer Formkörper mit den erforderlichen Ablaufkanälen aus Paraffin gefertigt. Dieser Formkörper wird dann mit den einzuschließenden Rohren 13 verbunden und in ein äußeres Formgehäuse eingebracht, ganz wie vorstehend beschrieben. Das äußere Formgehäuse ist so ausgeführt, daß es einerseits die Wärmetauscherelemente 13 in einer definierten Position fixiert und andererseits in seiner Form die spätere λußenabmessung des Wärmetauscherkopfes beinhaltet.

Es wird nun der freie Raum zwischen den Rohren sowie der freie Raum zwischen dem inneren Formkörper einerseits und dem äußeren Formkörper andererseits mit einem katalytisch aushärtenden Graphit-Harzgemisch aufgefüllt und ausgehärtet.

Der ausgehärtete Formkörper mit den in die Gießmasse eingebundenen Rohren 13 wird nun bis zum Schmelzpunkt des inneren Formkörpers erhitzt, so daß das erweichende und flüssige Paraffin über die vorgesehenen Ableitungskanäle 16 ablaufen kann. Mit diesem Arbeitsgang erhält man dann das in Fig. 10 gezeigte Wärmetauscherelement.

Im folgenden wird anhand der Fig. 11 und 12 der zweite Lösungsweg näher erläutert. Während nämlich die Kernschmelzmethode Vorteile bei der Verwendung von nicht symmetrischen Bauteilen, z.B. Rohren mit rechteckigem Profil, ist, ist bei der Verwendung von symmetrischen Bauteilen der Einsatz von vorgefertigten, druckfesten Formkörpern 17 vorteilhaft, da dadurch eine einfache Herstellung des Hohlraumes 4 möglich wird.

In Fig. 11 und 12 werden in die Rohrenden 11 als Verteilerelemente dienende Ansätze oder Rohrstücke 18 eingebracht. Diese Verteilerelemente sind so ausgeführt, daß sie formschlüssig in die Enden der Wärmetauscherelemente passen und gleichzeitig eine definierte Stellung der Wärmetauscherelemente ermöglichen.

Zur Befestigung und gleichzeitigen Abdichtung wurden die Rohrstücke 18 mit Hilfe eines Reaktionsklebers an den Rohrenden 11 befestigt.

Die Ansätze 18 sind mit einem gemeinsamen Rohrstück 19 verbunden und bilden dadurch den Formkörper 17 aus.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird das äußere Formelement 9 so angeordnet, daß es den Formkörper 17 in dem gewünschten Abstand möglichst gleichmäßig umschließt. Der sich dadurch ergebende freie Raum zwischen dem Formkörper 17 und dem Formelement 9 wird nunmehr mit einem katalytisch aushärtenden Graphit-Harzgemisch ausgefüllt, welches dann aushärtet.

Nach Entfernung des äußeren Formelements erhält man dann das Kopfstück 3 mit dem eingearbeiteten Hohlraum 4.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 übernimmt der Formkörper 17 mit seinen Rohren 19 prinzipiell die Funktion des Kopfstücks. Jedoch kann der Formkorper 17 nicht für sich alleine stehen, so daß der Körper 10 zusätzlich eine ver¬ steifende, stützende Funktion übernimmt. Gleichzeitig bildet der Körper 10 die Abgrenzung zum Produktraum 1, wie in Fig. 10 dargestellt.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kopf¬ stück wird vorzugsweise in agressiven Medien (Gasen) einge¬ setzt. Dabei schützt der Körper 10, der vorzugsweise aus dem erwähnten hochkorrosionsfesten Werkstoff besteht, den ggfs. nicht korrosionsbeständigen Formkörper 17 mit seinen Rohren 18, 19 vor Korrosion, die durch die von außen auf¬ tretenden Gase bedingt würde.

Als Werkstoffe empfehlen sich folgende Materialien bzw. Materialkombinationen: Formkörper 10 Rohr 11

Graphit / Harz Graphit Graphit / Harz Sinterkeramik Sinterkeramik Sinterkeramik Kunststoff Kunststoff

Wichtig ist auch die in Fig. 9 gezeigte Lamellenform der Rohre 13 zusammen mit den erläuterten Kopfstücken, bei der also mehrere der Rohre zu einem lamellenfδrmigen Teil zusammengefaßt sind und mehrere dieser Lamellen modulartig zusammengesetzt sind.

Die Querschnittsformen wird man den jeweiligen Gegebenheiten anpassen; kreisrunde Rohre, wie dargestellt, bieten häufig Vorteile, insbesondere bei der Herstellung.

Claims

Patentansprüche

1. Kopfstück eines Wärmetauschers mit einem Druckraum (4) , o der in druckdichter StrömungsVerbindung mit Wärme¬ tauscherrohren (11) steht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das einstückig ausgebildete Kopfstück aus einem Rohrstück (17) mit Öffnungen in seiner Wand für den Anschluß der Wärmetauscherrohre (11) besteht.

2. Kopfstück nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mit dem Rohrstück (17) im Bereich der Öffnungen Rohransatzstücke (18) druckdicht verbunden sind, mit denen die Wärmetauscherrohre (11) druckdicht verbunden sind.

3. Kopfstück nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abdichtung zwischen dem Rohrstück (17) bzw. den Rohransatzstücken (18) einerseits und den Wärmetauscher¬ rohren (11) andererseits durch ein Klebemittel un¬ terstützt ist.

4. Kopfstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Rohrstück (17) mit den mit ihm verbundenen Enden der Wärmetauscherrohre (11) mit einer aushärtbaren Masse (10) umgössen ist.