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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Rohrbündel
aus parallel zueinander verlaufenden, aus Kunststoff bestehenden
Rohren.
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In
Wärmetauschern, in welchen eines der Wärmetauschmittel
in Rohren geführt wird, müssen Abstandshalter
vorgesehen sein, um diese Rohre entsprechend gegeneinander und gegenüber
einer Rahmenkonstruktion des Wärmetauschers zu fixieren.
Bekannt geworden sind z. B. Rohrabstandsgitter, bei welchen übereinander
liegende und sich kreuzende Gitterstäbe in einem ringförmigen
Rahmen befestigt sind und die parallel geführten Rohre
fixieren. Dazu werden die Rohrabstandsgitter je nach Länge der
Rohre der Wärmetauscher in mehreren Etagen angeordnet (z.
B.
DE 36 30 502 A1 ).
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Ist
der Wärmetauscher besonderen Einsatzbedingungen ausgesetzt,
reicht diese Art der Fixierung meist nicht mehr aus. Besondere Einsatzbedingungen
treten z. B. auf, wenn eines der Wärmetauschmittel ein
aggressives Medium ist und deshalb Materialien zum Einsatz gelangen,
welche diesem aggressiven Medium standhalten.
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So
können bei Wärmetauschern, welche z. B. Rauchgas
für eine Rückgewinnung noch vorhandene Wärme
entziehen (z. B. in so genannten Wärmeverschiebesystemen),
Kunststoffe für die Rohre des Wärmetauschers zum
Einsatz kommen. Diese haben den Vorteil, dass sie eine gute Resistenz
gegen das abzukühlende Rauchgas besitzen, insbesondere
dann, wenn eine Abkühlung unter den Säuretaupunkt
des Rauchgases vorgenommen wird und das Material dadurch einem Säureangriff
standhalten muss. Die Rahmenkonstruktion dieser Wärmetauscher,
an welcher auch die Abstandshalter der Rohre befestigt sind, ist
meistens aus Edelstahl gefertigt. Bedingt durch verschiedene Betriebsbedingungen des
Wärmetauschers kommt es aufgrund sehr unterschiedlicher
Wärmeausdehnungskoeffizienten der genannten Materialien
Kunststoff und Edelstahl zu starken Relativbewegungen zwischen den
Rohren aus Kunststoff und der Rahmenkonstruktion aus Edelstahl.
Die Schnittstelle liegt hier meistens zwischen den an der Rahmenkonstruktion
angebrachten Abstandshaltern (auch Spacer genannt) und den Rohren
des Wärmetauschers.
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Die
Rahmen verleihen den Rohren in Verbindung mit den Abstandshaltern
die in der Rauchgasströmung erforderliche Lagestabilität
bei gleichzeitiger Erhaltung der in Axialrichtung der Rohre notwendigen
Bewegungsfreiheit für ihre temperaturbedingte Längenänderung.
Dabei entstehen zwangsläufig durch den quer zur Axialrichtung
der Rohre wirkenden, dynamischen Druck des Rauchgases Berührungspunkte
zwischen den Rohren und den Abstandshaltern. Durch die genannten
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kommt es
bei Temperaturänderungen zu Relativbewegung zwischen Rohr
und Abstandshalterung und damit zu erhöhten Verschleißerscheinungen
an Rohren und Abstandshalter. Der Fortschritt des Materialverschleißes
wird dabei in starkem Maß von der Häufigkeit der Temperaturwechsel
beeinflusst. Eine wesentliche Temperaturänderung wird kurzzeitig
jeweils bei einer notwendigen Abreinigung der Rohre des Wärmetauschers
mit kaltem Wasser, aber auch bei An- und Abfahrvorgängen
der Betriebsprozesse, verursacht. Der Materialverschleiß führt
dann bis zum Durchbruch der Rohrwandungen.
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Die
DE 195 26 623 C2 zeigt
einen Wärmetauscher mit einem Rohrbündel aus parallel
zueinander verlaufenden Rohren aus Kunststoff. Diese sind in einem
Gehäuse untergebracht, wobei die Rohre geradlinig oder
U-förmig gebogen verlaufen können. Um eine Beschädigung
der Rohre durch eventuelle Reibung an vorhandenen Abstandshalter
aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnung der Rohre und des
Gehäuses zu verhindern, sind die Abstandshalter in Längsrichtung
mit den Rohren fest verbunden. Zum Ausgleich der Relativbewegung
zwischen den Rohren und den mit ihnen fest verbundenen Abstandshaltern
einerseits und dem Gehäuse andererseits sind die Abstandshalter
auch an einem Rahmen befestigt, der seinerseits im Gehäuse
in Richtung der Längserstreckung der Rohre beweglich geführt
ist.
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Diese
Lösung beseitigt zwar die Probleme eines Verschleißes
der Rohre durch Reibung an den Abstandshaltern, hat aber neben dem
erhöhten apparativen und einem demzufolge auch finanziellen Aufwand
weiterhin den Nachteil, dass die Schnittstelle zwischen bewegtem
Rahmen (Führungszapfen) und dem feststehenden Gehäuse
(Führungsrohre) bei der geringsten Verunreinigung zu Funktionsstörungen
führt, was den kompletten Ausfall des Ausgleiches der Relativbewegung
zwischen den Rohren und dem Gehäuse bedeuten kann. Auch
die in der Schrift angedeutete Reinigung der Führungsrohre mit
einer Spülflüssigkeit aus in den Führungsrohren vorhandenen
Bohrungen erhöht den Aufwand weiter und leistet einer eventuellen
Belagbildung auf den Führungsflächen Vorschub.
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Die
DE 196 06 201 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Halterung von aus Kunststoff bestehenden, parallel
zueinander verlaufenden Rohren im Gehäuse eines Wärmeübertragers.
Die Halterung ist durch Abstandshalter realisiert, welche jeweils
mindestens zwei Rohre miteinander verbindet und in ihrer Lage gegeneinander
fixiert. Die stegförmigen Abstandhalter sind an ihren jeweiligen
Enden als Klemmen ausgeformt und umschließen das jeweilige
Rohr nicht vollumfänglich. Die Klemmkraft, mit denen die Abstandshalter
an den Rohren angebracht sind, kompensiert dabei mindestens das
Eigengewicht der Abstandshalter. Ein Halterahmen existiert nicht.
Die gesamten Rohre werden über die Vielzahl der einzelnen
Abstandshalter in ihrer Position im Wärmeübertrager
gehalten.
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Da
kein Rahmen vorhanden ist, bedeutet dies, dass die Eigenlast der
Schläuche inklusive Befüllung und mögliche
Zusatzlasten durch außen anhaftende Verschmutzungen ausschließlich über
die Schlauchanschlussstellen am Rohrboden aufgenommen werden muss.
Damit ist nicht auszuschließen, dass die Schlauchanschlussstellen übermäßig
belastet werden und an diesen Stellen Undichtigkeiten auftreten.
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Aus
der
DE 42 17 923 A1 ist
eine Vorrichtung zur Distanzierung von Wärmetauscherrohren
bekannt. Hierbei werden die Wärmetauscherrohre aus Kunststoff
mittels eines rasterförmig ausgebildeten Hülsenfeldes,
welches in Längserstreckung des Wärmetauschers
in mehreren Ebenen vorhanden ist, geführt. Die Hülsen,
ebenfalls aus Kunststoff, sind auf Stäbe gefädelt,
welche wiederum an Rahmenleisten befestigt sind. Die Rahmenleisten
selbst werden verschiebbar an dem Rahmen des Wärmetauschers
angebracht. Die nebeneinander befindlichen Hülsen bilden
sternförmige Lücken, durch welche die Wärmetauscherrohre
hindurchgeführt sind.
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Von
Nachteil ist, dass sich hierbei während des Betriebes ein
Verschleiß an den Berührungsstellen der Rohre
mit den Hülsen einstellt. Er wird sichtbar durch jeweils
4 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Abriebstreifen
sowohl an den Rohren wie auch an den Hülsen. Erwartungsgemäß führt
dieser Verschleiß bis zum Durchbruch der Rohrwandung mit
der Folge, dass ab diesem Zeitpunkt ein permanenter Austritt des
in den Rohren geführten Mediums an dieser Schadstelle stattfindet.
So kommt es bei einem Wärmetauscher, welcher die Wärme
des Rauchgases eines mit Kohle gefeuerten Dampfkessels vor Eintritt
in eine Rauchgasentschwefelungsanlage auf das in den Rohren geführte
Wasser überträgt, zu gravierenden Betriebsstörungen.
Auf Grund der Anfangs sehr kleinen Löcher an der Schadstelle der
Rohre wird das austretende Wasser sehr fein zerstäubt und
es entfaltet sich eine ungewollte Rauchgaswäsche mit der
daraus resultierenden Gipsbildung und deren Ablagerung. Die entstehenden
Gipspartikel verstopfen schnell die freien Querschnitte, die zwischen
den einzelnen Rohren und den sie umgebenden Hülsen vorhanden
sind. Ein Ablaufen des Wassers nach unter wird mit fortschreitender
Betriebszeit immer schwieriger, bis an vielen Öffnungen die
totale Verstopfung eintritt. Die Folge ist eine irreversible Verschmutzung
zwischen den eng beieinander geführten Rohren des Wärmetauschers
durch ein schnelles Aufwachsen der Ablagerungen aus Gips. Dies geschieht über
jedem einzelnen Hülsenfeld. Eine nachträglich
komplette Beseitigung der Ablagerungen aus Gips ist selbst bei dem
aus dem Rauchgastrom entfernten Wärmetauschen nicht mehr
möglich, da hierzu die Hülsenfelder demontiert
werden müssten, um zwischen den Rohren eine gründliche Beseitigung
der Ablagerungen aus Gips vornehmen zu können. Sind die
Hülsenfelder erst einmal demontiert, ist eine spätere
Montage nicht mehr möglich.
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Alle
bisher bekannten konstruktiven Lösungen des Systems Abstandshalter – Rohr
haben den Nachteil, dass keine Möglichkeit besteht, diese
in der Einbaulage der Rohre mit ihren Abstandshaltern zu demontieren
und zu montieren. Der Wärmetauscher wird somit nach vergleichsweise
kurzer Betriebszeit unbrauchbar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzungsdauer der Rohre
wesentlich zu erhöhen.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1 dadurch gelöst, dass als Abstandshalter Stützrohrkämme
innerhalb des Rahmengestells mit Abstand voneinander angeordnet
sind, wobei ein Stützrohrkamm aus einem Querträger
und daran rechtwinklig befestigten und parallel geführten
Stützstäben gebildet ist, je ein Stützstab
sich in einen der zwischen den Rohren befindlichen Zwischenräume
erstreckt und die Querträger jeweils lösbar mit
dem Rahmengestell verbunden sind und wobei die Stützrohrkämme über
die Höhe innerhalb des Rahmengestells derart angeordnet sind,
dass ihre Stützstäbe abwechselnd in oder quer zur
Strömungsrichtung des die Rohre anströmenden Wärmeträgermediums
ausgerichtet sind.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass die freien Enden der Stützstäbe gelagert
sind.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, für die Stützstäbe,
welche quer zur Strömungsrichtung des die Rohre anströmenden
Wärmeträgermediums angeordnet sind, zusätzliche
Stützstellen vorzusehen, um eine Durchbiegung der Stützstäbe
zu verhindern.
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Ebenfalls
günstig ist es, die sich zwischen den Ebenen in die Zwischenräume
der Rohre erstreckende Stützstäbe mit einem Gefälle
zur Austrittsseite des Wärmeträgermediums aus
dem Wärmetauscher anzuordnen. Dies ist deshalb von Vorteil,
weil Reinigungswässer aus dem Wärmetauscher dadurch besser
ablaufen.
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Die
Erfindung zeigt eine konstruktive Lösung eines Wärmetauschers,
die es ermöglicht, bereits vor Eintritt von Leckagen an
den Rohren des Wärmetauschers die Abstandshalterungen in
der Einbaulage des Wärmetauschers zu demontieren, den Wärmetauscher
zu Reinigen und die Abstandshalterung außerhalb der vorgeschädigten
Bereiche neu zu montieren. Grundgedanke der Erfindung ist es, rechtzeitig
die Verschleißposition an den Rohren des Wärmetauschers
an einen anderen Ort zu verlegen und damit die Gesamtlebensdauer
der Rohre des Wärmetau schers wesentlich zu erhöhen.
Die räumliche Entzerrung der Halterungsebenen sichert gleichzeitig
einen vergleichsweise großen freien Querschnitt zur Ableitung
der bei der Abreinigung anfallenden Schmutzwässer unter
Beibehaltung der gleichen Abstände zwischen den Halterungsebenen
sowohl längs als auch quer zur Strömungsrichtung
des Wärmeträgermediums.
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Die
Abstandshalterung der Rohre des Wärmetauschers kann durch
Stützstäbe, vorzugsweise mit rundem Querschnitt,
z. B. durch Rohre aus Kunststoff, realisiert werden, deren Außendurchmesser
genau dem lichten Abstand zwischen zwei benachbarten Rohren des
Wärmetauschers entspricht. Dabei können die Stützstäbe
in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums
(z. B. Rauchgas) auch geneigt zur Senkrechten der Rohrachse eingebaut
werden.
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Die
gesamte konstruktive Lösung ermöglicht im Gegensatz
zu allen bisher bekannten Konstruktionen eine Demontage und Montage
der Abstandshalterung auch nach der Fertigstellung der Wärmetauscher
(mobile Halterung). Somit kann der Wärmetauscher auch nach
längeren Betriebszeiten bei Verschmutzung und Verschleiß durch
gezielte Aufarbeitung mit geringem Aufwand weiterhin eingesetzt
werden. Dadurch kann eine wesentliche Lebensdauererhöhung
der Wärmetauscher erzielt werden.
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Nachstehend
soll an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung näher
erläutert werden. Dabei zeigen
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1:
eine Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers mit U-förmigen
Rohren
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2:
eine Draufsicht auf den Wärmetauscher ohne Rohrboden
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3:
eine Detail aus 2 als perspektivische Darstellung
eines Teils des Rahmens vom Wärmetauscher mit der Anordnung
der Stützrohrkämme
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In
einem braunkohlegefeuerten Kraftwerk ist zur besseren Ausnutzung
vorhandener Wärme des Rauchgases im Rauchgaskanal vor der
Rauchgasentschwefelungsanlage ein Rauchgaswärmeverschiebesystem
installiert. Dieses besteht im Wesentlichen aus mehreren, im Rauchgaskanal
parallel montierten Wärmetauschern, welche Wärme
vom ca. 170°C heißen Rauchgas an das in den Rohren
(6) des Wärmetauschers zirkulierende Wasser übertragen.
Das Rauchgas wird dabei auf ca. 130°C abgekühlt.
Das erwärmte Wasser dient der Kondensataufwärmung.
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Der
Wärmetauscher ist aus einem rechteckigen, gehäuseartigen
Rahmengestell 5 mittels Winkelprofilen aus Edelstahl gefertigt,
innerhalb dem parallel geführte Rohre 6 aus Kunststoff
(Polytetrafluorethylen) aufgehängt sind (1).
Die Rohre 6 sind dabei U-förmig ausgeführt
und die Enden der Rohre 6 in einem am oberen Ende des Rahmengestells 5 angebrachten
Rohrboden 9 verankert. Zur Führung und Abstandshalterung
der Rohre 6 kommen Stützstäbe 1 zum
Einsatz. Diese Stützstäbe 1 sind Rohre aus
Kunststoff, Stäbe aus Kunststoff, es können aber auch
kunststoffummantelte Drähte aus Metall oder eine beliebige
Kombination dieser Ausführungen verwendet werden. Vorteilhaft
ist eine Ausführung mit hoher Biegesteifigkeit, d. h. kunststoffummantelte Drähte
aus Metall. Der Außendurchmesser der Stützstäbe 1 entspricht
dabei genau dem lichten Abstand zwischen zwei benachbarten Rohren 6 des
Wärmetauschers.
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Die
parallel zueinander geführten Stützstäbe 1 sind
rechtwinklig an je einem Querträger 2 befestigt.
Ein Querträger 2 mit den daran befestigten Stützstäben 1 bilden
dabei jeweils einen Stützrohrkamm 7. Die Anzahl
der Stützstäbe 1, welche an einem Stützrohrkamm 7 befestigt
sind, richtet sich dabei jeweils nach der Anzahl der Zwischenräume 3 zwischen
den Rohren 6 des Wärmetauschers.
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Das
Rahmengestell 5 des Wärmetauschers ist mittels
Querverstrebungen (in den Zeichnungen nicht dargestellt), welche
der Stabilisierung dienen, in seiner Gesamthöhe in mehrere
Ebenen 4 unterteilt. Die Ebenen 4 haben dabei
zueinander einen Abstand von ca. 0,8 m. Auf jeder dieser Ebenen
ist je ein Stützrohrkamm 7 am Rahmengestell 5 angeordnet. Dabei
sind von Ebene zu Ebene die Stützrohrkämme 7 mit
ihren Stützstäben 1 jeweils wechselnd
in und quer zur Strömungsrichtung des die Rohre anströmenden
Wärmeträgermediums 8, d. h. des Rauchgases,
ausgerichtet (3).
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Die
Gitterfunktion des längs und quer zur Strömungsrichtung
des Wärmeträgermediums 8 (Rauchgasströmung)
eingebauten Stützrohrkämme 7 wird in 2 deutlich,
wobei in der perspektivischen Detailansicht (3) zu erkennen
ist, dass in vertikaler Richtung diese Gitter, durch den höhenversetzten
Einbau der Stützrohrkämme 7, räumlich
aufgelöst sind. Damit wird ein ungehinderter Ablauf der Reinigungswässer
sichergestellt. Zu Erhöhung der Übersichtlichkeit
sind in den 2 und 3 nur ein Teil
der Rohre 6 und Stützstäbe 1 dargestellt.
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Die
waagerechte Anordnung der Stützstäbe 1 innerhalb
des Rahmengestells 5 erfolgt dabei in der Weise, dass je
ein Stützstab 1 in einen Zwischenraume 3 zwischen
je zwei Rohre 6 eingeschoben wird. Jeder der Querträger 2 ist
lösbar am Rahmengestell 5 befestigt. Die freien
Enden der Stützstäbe 1 werden dabei durch
Flacheisenprofile 10 abgestützt, welche waagerecht
am Rahmengestell 5 lösbar befestigt sind. Anstelle
der Flacheisenprofile 10 können auch geteilte
Profileisen eingesetzt werden, die zur Aufnahme der Stützstäbe
entsprechende Aussparungen in ihrem Ober- und Unterteil aufweisen.
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Für
die quer zur Strömungsrichtung des die Rohre 6 anströmenden
Wärmeträgermediums 8 angeordneten Stützstäbe 1 sind
zusätzlich zwei Stützstellen vorgesehen, welche
als Flacheisen 11 unterhalb der Stützstäbe 1 in
die Zwischenräume 3 der Rohre 6 des Wärmetauschers
gesteckt und am Querträger 2 und am Flacheisenprofil 10 befestigt
sind. Damit wird einem möglichen Durchbiegen der Stützstäbe 1 entgegengewirkt.
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Die
Stützrohrkämme 7, bei denen die Stützstäbe 1 in
Strömungsrichtung des die Rohre anströmenden Wärmeträgermediums 8 ausgerichtet
sind, können die Stützstäbe 1 neben
der waagerechten Ausrichtung auch mit einem Gefälle zur
stromabgewandten Seite des Wärmetauschers ausgerichtet sein.
Diese Ausrichtung der betreffenden Stützstäbe 1 fördert
eine bessere Ableitung des in die Wärmetauscher eingespritzten
Wassers bei dessen Abreinigung.
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Während
des Betriebes des Wärmetauschers mit sich ändernden
Betriebsbedingungen (durch Temperaturänderungen aufgrund
Laständerungen des Kraftwerksblockes oder durch Abreinigung
der Rohre) entstehen an den Berührungspunkten zwischen
den Rohren 6 und Stützstäben 1 aufgrund
der unterschiedlich wirkenden Längenausdehnungskoeffizienten
Relativbewegungen. Die Folge ist ein Abrieb an den Rohren 6 und
Stützstäben 1. Ohne Einflussnahme führt
dieser Mechanismus zu Leckagen und damit zur Stillsetzung des Wärmetauschers (Reparaturmöglichkeiten
an den Leckagestellen sind außerordentlich eingeschränkt
nur an den außen liegenden Rohren 6 möglich).
Aufgrund der Kenntnis des Verschleißmechanismus kann eine
gezielte Bewertung des Zustandes der Rohre 6 des Wärmetauschers
erfolgen und mittels der erfindungsgemäßen Lösung
rechtzeitig durch folgende Maßnahme der Verschleißort
verlagert werden.
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Für
eine optimale Durchführung der Maßnahme ist eine
Demontage des Wärmetauschers aus dem Rauchgaskanal zweckmäßig.
Nach erfolgter Demontage wird der Wärmetauscher in Einbaulage in
ein entsprechendes Arbeitsgerüst eingehangen. Das Arbeitsgerüst
dient der unfassenden Begehbarkeit des Wärmetauschers von
außen. Nunmehr werden die Verschraubungen der Querträger 2 vom
Rahmengestell 5 gelöst. in Abhängigkeit
des Verschmutzungszustandes kann ein Stützrohrkamm 7,
bestehend aus Querträger 2 mit seinen Stützstäben 1,
aus dem Bündel gezogen und ca. 8–10 cm ober- oder
unterhalb der bisherigen Einbaustelle wieder in das Bündel
eingesetzt und der Querträger 2 wieder am Rahmen
verschraubt werden. Das die freien Enden der Stützstäbe 1 abstützende
Flacheisenprofil 10 wird ebenfalls nach oben oder unten
verschoben und am Rahmengestell 5 wieder montiert.
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Bei
geringerer Verschmutzung kann der Stützrohrkamm 7 nach
dem Lösen des Querträgers 2 vom Rahmen
in seiner Position mit den Stützstäben 1 direkt
zwischen den Rohren 6 nach oben oder unten verschoben und
wieder befestigt werden.
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Dieser
Vorgang wiederholt sich für alle Stützträger 7 in
gleicher Weise, d. h. die Abstände zwischen den Ebenen 4 sind
nach dem beschriebenen Vorgang wieder gleich denen vor der Demontage.
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Alternativ
bei entsprechendem Verschleißzustand an den Stützstäben
können diese auch gegen neue Stützstäbe
ausgetauscht werden.
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- 1
- Stützstab
- 2
- Querträger
- 3
- Zwischenraum
- 4
- Ebene
- 5
- Rahmengestell
- 6
- Rohr
- 7
- Stützrohrkamm
- 8
- Wärmeträgermedium
- 9
- Rohrboden
- 10
- Flacheisenprofil
- 11
- Stützstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3630502
A1 [0002]
- - DE 19526623 C2 [0006]
- - DE 19606201 A1 [0008]
- - DE 4217923 A1 [0010]