Titel
Rohrbündelhochdruckwärmetauscher
Beschreibung
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.
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 Detailschnittdarstellung 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 Strömungsweg 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
Rohrbündelhochdruckwärmetauscher
Erste Abschlussplatte
Zweite Abschlussplatte
Temperierraum
Mantelrohr
Kühlrohr
Zugstangen
Gewindekopf
Verschlussstopfen
Kühlmittelanschlussstopfen (Abfluss)
Kühlmittelanschlussstopfen (Zufluss)
Schraubenmutter
Arbeitsmedium-Anschlussstopfen (Zufluss)
Verschlussstopfen
Arbeitsmedium-Anschlussstopfen (Abfluss)
Strömungsraum
Strömungsraum
Strömungsraum
Bohrungen in der Abschlussplatte 14
Bohrung für Kühlrohr
Anschlag
Dichtung
Aufnahmesitz
Dichtung