CH647592A5

CH647592A5 - Waermeuebertragungselement, insbesondere zur erstellung eines waermeaustauschers fuer cryogene anwendungszwecke.

Info

Publication number: CH647592A5
Application number: CH5295/80A
Authority: CH
Inventors: Jean Tornare; Paul P Duron
Original assignee: Cryomec Ag
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1985-01-31
Also published as: SE456855B; GB2082310B; SE8104277L; US4487256A; IT8148867A0; FR2493499A1; DE3040801C2; DE3040801A1; IT1171377B; FR2493499B1; GB2082310A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf ein Rohr montierbares axial geteiltes Wärmeübertragungselement gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei gerippten Wärmeaustauschern strömt im allgemeinen das eine am Wärmeaustausch teilnehmende Medium im Rohr, das andere hingegen zwischen den auf der Aussenseite des Rohres befindlichen Rippen. Bei der Herstellung eines

Wärmeaustauschers ist immer ein Kompromiss zwischen der wärmetechnischen und der fertigungstechnischen optimalen Lösung zu suchen.

Wärmetechnisch optimal ist eine relativ dünnwandige 5 Einheit von mediumdurchströmten Rohr und Rippen. Fertigungstechnisch ist ein Baukastensystem aus Rohren und montierbaren Rippen vorteilhafter. Soll ein solches Baukosten-System auch wärmetechnisch vertretbar sein, ist ein einwandfreier Flächenkontakt zwischen den Einzelteilen, d.h. io Rohr und geripptem Mantel sehr wichtig. Schon ein geringer Spalt zwischen den Flächen der Elemente stellt einen Isolator dar, der den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers erheblich reduziert.

In der ÜS-PS 2 405 722 sind Wärmeübertragungs-Ele-15 mente zur Erstellung von Wärmeaustauschern beschrieben, bei welchen das der Zirkulation eines Mediums dienende Rohr mit den Kühlrippen eine Einheit bilden. Die bogenförmige Verbindung an solche gerade, parallele Rohrelemente anzuschweissen ist jedoch problematisch und die einzelnen 20 Elemente sind kostspielig. Auch in der Wahl der Materialien ist man aus Herstellungsgründen beschränkt. Diese Nachteile wurden erkannt. Die US-Patentschriften 3 280 907 und 3 672 446 schlagen daher axial zweigeteilte Wärmeübertragungselemente mit Rippen zur Erstellung eines Wärmeaus-25 tauschers vor. Die Elemente weisen eine zylindrische Halbschale mit sternförmig angeordneten Längsrippen auf. Die US-PS 3 672 446 zeigte eine Lösung, bei der beidseitig der zylindrischen Halbschalen, in denen das mediumdurchströmte Rohr zu hegen kommt, axiale Halterippen auf diese direkt anso geformt sind. Je nach Ausführung ist mindestens eine dieser Halterippen so deformierbar, dass sie um die andere Halterippe greift, oder dass mittels einer metallenen Klemmleiste über beide Halterippen die zylindrischen Halbschalen-Elemente zusammengehalten und auf das Rohr gedrückt sind. Zwar 35 sind beim letztgenannten System die Nachteile der erstgenannten Erfindung behoben, jedoch tauchen andere, schwerwiegende Nachteile auf. So muss für die Montage eine spezielle Maschine, die in der US-PS auch beschrieben ist, verwendet werden. Die Verwendung dieser Walzmaschine erfordert es, 40 die Rohre vor der Montage mit den Halbschalen zu versehen. Besonders nachteilig ist jedoch, dass das System auf reinen, starren Formschluss beruht und dass das mediumdurchströmte Rohr oftmals unbeabsichtigt verformt wird. Die enormen Temperaturdifferenzen, die insbesondere bei cryoge-45 nen Anwendungszwecken auftreten, wirken sich hier besonders nachteilig aus. Die Montage erfolgt bei normalen Raum-temperaturbedingungen. Die Arbeitstemperaturen hegen jedoch um — 200° Celsius und die Kontraktion des Materials ist erheblich. Eine Lockerung der Halterung tritt unweigerlich 50 auf und damit eine wesentliche Verschlechterung der Temperaturübertragung vom Rohr auf die wärmeübertragenden Elemente.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein 55 Wärmeübertragungselement zu schaffen, welches zur Erstellung eines Wärmeaustauschers geeignet ist und ohne Hilfe von Werkzeugen auch ausserhalb der Werkstatt, unabhängig von der Arbeitstemperatur kraftschlüssig auf ein Gerippe von mediumdurchströmten Rohren montiert werden kann und ei-60 nen innigen Flächenkontakt mit diesen garantiert.

Die Aufgabe löst ein Element der eingangs beschriebenen Art, welches die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgezeigten Merkmale aufweist.

In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbei-6S spiele des erfindungsgemässen Wärmeübertragungselementes anhand der beihegenden Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt ein Teilelement eines Wärmeübertragungselementes zur Erstellung eines Wärmeaustauschers und

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Figur 2 ein aus zwei identischen Teilelementen nach Figur werden. An der gewünschten Stelle werden nun die halbscha-

1 zusammengesetztes Element im Querschnitt. Ienartigen Teilelemente 1, Y um ein Rohr gelegt, so dass die

Figur 3 zeigt eine Möglichkeit einer Verbindung zweier von der Arbeitsseite rückwärtigen Vorsprünge 24,25 ineinan-

Verbindungsrippen und dergreifen. Drückt man nun die beiden zur Arbeitsseite gele-

Figur 4 ein Detail, um miteinander verbundene Teilele- 5 genen radialen Rippen 20,21 zusammen, werden diese ela-

mente zu lösen. stisch deformiert, die an der gleichen Seite liegenden Verbin-Ein erfindungsgemässes Wärmeübertragungselement liegt dungsrippen schieben sich etwas mehr übereinander und die im montierten Zustand manschettenartig und unter Vorspan- beiden hakenförmigen, in Längsrichtung verlaufenden Vor-

nung um ein mediumdurchströmtes Rohr 3 an. Das Wärme- spränge 24,25 schnappen ineinander. Die Mulden 10 liegen Übertragungselement besteht aus mindestens zwei Teilelemen- 10 nun mit Vorspannung straff um das ummantelte Rohr 3. Die te, 1,1'. In der Figur 1 ist ein mögliches Teilelement 1 darge- Teilelemente 1,1' greifen nun form- und kraftschlüssig nach stellt. Innen liegt eine halbrunde Mulde 10, deren Innen- Massgabe der durch die elastische Verformung der radialen durchmesser dem Aussendurchmesser des Rohres 3 entspricht Rippen 20,21 und 20', 21 ' hervorgerufenen Vorspannung und zur Aufnahme eines zu kühlenden oder zu wärmenden ineinander, sodass zwischen dem Rohr 3 und dem Element

Rohres dient. Die Mulde 10 ist die Innenwand eines längsge- 15 ein optimaler Flächenkontakt immer gewährleistet ist. Wegen teilten Rohres 11, von dessen Aussenseite vier im Querschnitt den bei cryogenen Anwendungszwecken auftretenden, extrem radial nach aussen verlaufende Längsrippen 2,20,21 ange- tiefen Temperaturen um ca. -200 ° Celsius ist es wesentlich,

ordnet sind. Diese Rippen dienen der Aufnahme oder Ab- dass keine zu hohe Vorspannwerte erreicht werden, weil eine

Strahlung von Wärme und haben deshalb die ihre Oberfläche gewisse Sprödigkeit des Materials auftreten kann,

vergrössernden Schikanen 31. 20 Die Vorspannungskraft lässt sich durch verschiedene

Die beiden äussersten Längsrippen 20,21 des Teilelemen- Massnahmen, wie Materialwahl, Wandstärke der Rippen tes 1 haben je eine ungefähr konzentrisch zum Rohr 11 ver- und Distanz der Verbindungsrippen zur Längsachse des Ele-

laufende Rippe 22,23. Diese konzentrischen Rippen werden mentes, usw. vorbestimmen.

Verbindungsrippen genannt, sie halten die Teilelemente 1 und In gewissen Fällen ist es wünschenswert, das System auch 1' zusammen. Zu diesem Zweck weist jede Verbindungsrippe « wieder einfach zu demontieren. Hierfür sind zwei Lösungsaxiale, d.h. parallel zur Längsachse des Elementes verlaufen- möglichkeiten dargestellt. In der Figur 3 wird diese Demonta-de, hakenförmige Vorsprünge 24,25 auf. In montiertem Zu- ge durch eine mittelbare Verbindung der beiden Verbindungsstand greifen die Vorsprünge 24,25 zweier benachbarter Ver- rippen 22', 23' erreicht. Die Verbindungsrippen weisen je eine bindungsrippen ineinander. Die Verbindungsrippen sind in im Querschnitt rechtwinklige Nut 28,29 auf. In diesen Nuten einem vorbestimmten Abstand a, a' von der Elementachse ent-30 28,29, die im montierten Zustand fast genau übereinander fernt. Diese Entfernung muss so bemessen sein, dass durch ei- liegen, liegt ein Metallstab 30, der einen etwas geringeren ne elastische Verformung der beiden radialen Rippen 20,21, formgleichen Querschnitt als die beiden übereinanderliegen-die beiden Verbindungsrippen zum Eingriff gebracht werden den Nuten 28,29 hat. Auch hier tritt somit wieder eine formkönnen, sodass einerseits eine genügende Vorspannung im und kraftschlüssige Verbindung auf. Zum Lösen müssen die montierten Zustand erhalten bleibt, andererseits aber nicht ei- 35 beiden radialen Rippen 20', 21' zusammengedrückt werden, ne plastische Verformung eintritt. Im gezeigten Beispiel be- bis die Vorspannung aufgehoben ist, worauf der Metallstab trägt die Entfernung mehr als ein Viertel der Radiallänge der 30 leicht herausgezogen werden kann und die Teilelemente Rippen 20,21. auseinanderfallen.

Vorteilhafterweise ist eine Verbindungsrippe 23 wesent- Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass in der kürze-

lich kürzer als die andere 22. Folglich ist die kurze Rippe 23 40 ren und relativ starren Verbindungsrippe 23 Gewindelöcher relativ starr, während die längere Rippe 22 eine gewisse Flexi- 26 angeordnet sind, in die Schrauben 27 passen, wie dies in bilität aufweist. Die kürzere Rippe 21 ist um die Materialstär- Figur 4 dargestellt ist. Zieht man die Schrauben 27 an, so ke der längeren Rippe 22 weiter von der Längsachse des Eie- drücken diese auf den hakenförmigen Vorsprung 24 der län-

mentes distanziert als die längere Rippe 22. geren Verbindungsrippe 23. Dadurch werden die hakenförmi-

Anhand der Figur 2 sei die Verwendung des erfindungsge- 45 gen Vorsprünge 24,25 auseinander gedrückt und die Teilele-

mässen Elementes erläutert. Im Gegensatz zu bisherigen Fer- mente fallen auseinander.

tigungsverfahren von Wärmeaustauschern wird hier zuerst Es ist selbstverständlich, dass das erfindungsgemässe Ele-

nur das Rohrsystem der mediumdurchströmten Rohren 3 ge- ment auch aus mehr als zwei Teilelementen bestehen kann, formt, miteinander dicht verbunden und schliesslich unter ho- Dies kann erforderlich sein, wenn das zu ummantelnde Rohr hem Druck abgepresst, um ein eventuelles Leck festzustellen. 50 eine besondere Querschnittsform aufweist. Weitere kältetech-

Dieses relativ leichte, baukastenartige Rohrsystem kann in nische bzw. wärmetechnische Vorteile lassen sich erzielen, in-der Werkstatt vorgefertigt werden und dann zum Montageort dem man alle vom Rohr abgewendeten Flächen schwarz elo-

transportiert werden. Nachdem die Anschlussarbeiten des xiert oder färbt. Vorteilhaft ist es auch, die beiden im montier-

Rohrsystems an die Anlage erfolgt sind, können dann die ten Zustand gegeneinander liegenden, parallelen Trennungs-

mantelartigen, erfindungsgemässen Elemente einfach durch 55 flächen 12 zweier benachbarter Teilelemente zu einer im

Zusammendrücken der beiden Rippen 20,21 auf die Rohre Querschnitt radialen Richtung geneigt anzuordnen, wegen befestigt werden. der Radiation der Wärmestrahlung.

Da die Elemente vorteilhafterweise aus zwei identischen Weil die Halterung der Elemente unter Vorspannung auf

Teilelementen gebildet werden, genügt es, lange Profilstangen dem Rohr 3 sowohl durch Form- wie Kraftschluss erfolgt, ist in der Form eines Teilelementes 1 mitzunehmen. Diese kön- 60 eine sichere Halterung und gute Wärmeübertragung auch bei nen an Ort und Stelle auf die gewünschte Länge abgeschnitten grossen Temperaturdifferenzen gewährleistet.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

647 592 PATENTANSPRÜCHE

1. Auf ein Rohr montierbares axial geteiltes Wärmeübertragungselement mit radialen Längsrippen (2) für die Wärmeübertragung, die sich über die ganze Länge des Elementes erstrecken, welches zum mantelartigen Anliegen am mediumdurchströmten Rohr (3) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Teilelement (1,1') an jeder neben einer Trennstelle gelegenen Längsrippe (20,21) eine benachbarte Teilelemente verbindende, von der Element-Längsachse mit einem Abstand (a, a') angeordnete Verbindungsrippe aufweist, welche Verbindungsrippen federnd form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

2. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22,23) je einen in Längsrichtung verlaufenden, hakenförmigen Vorsprung (24,25) aufweisen.

3. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ineinandergreifenden Verbindungsrippen (22,23) um die Materialdicke einer Verbindungsrippe voneinander verschieden von der Elementlängsachse entfernt sind.

4. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22,23) mindestens um ein Viertel der Länge der Längsrippen von der Element-Längsachse distanziert sind.

5. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Verbindungsrippen (23) eines Teilelementes (1) wesentlich kürzer als die andere (22)

ist.

6. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der aussen liegenden Verbindungsrippe (23) Gewindelöcher (26) vorgesehen sind, in die Schrauben (27) passen, mittels denen die beiden miteinander im Eingriff stehenden Verbindungsrippen auseinanderschiebbar sind.

7. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22', 23) eine axiale Nut (28,29) aufweisen, in denen ein Metallstab (30) form- und kraftschlüssig gehalten ist.

8. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im montierten Zustand aneinander liegenden, parallelen Trennungsflächen benachbarter Teilelemente in einer die Längsachse enthaltenden Ebene hegen.

9. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente (1,1') aus Aluminium in Strangpressverfahren hergestellt sind

10. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente (1,1') identisch sind.

11. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (2,20,21) die Oberfläche vergrössernde Schikanen (31) aufweisen.

12. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente an von den am Rohr anzuliegenden bestimmten Flächen abgewandten Flächen schwarz gefärbt sind.

13. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22,23) koaxial zur Längsachse verlaufen.