DE1912341C3

DE1912341C3 - Wärmetauscher mit schraubenförmig gewickelten Rohrlagen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1912341C3
Application number: DE1912341A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. 8000 Muenchen Becker; Gamal El Din 8033 Planegg Nasser; Martin 8000 Muenchen Schneeberger
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1969-03-11
Filing date: 1969-03-11
Publication date: 1980-03-13
Also published as: DE1912341B2; DE1912341A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Mantelrohr, mit auf ein im Mantelrohr konzentrisch angeordnetes Kernrohr gewickelten Lagen dünner Rohre, wobei das Kernrohr gegenüber dem Mantelrohr durch im Ringraum zwischen beiden fest angeordneten Scheiben abgestützt ist, die aus radialen Stegen und deren Außenenden miteinander verbindenden Leisten bestehen und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers.

Wärmetauscher dieser Art sind bereits aus der FR-PS 12 48 874 bekannt. Das Kernrohr des dort beschriebenen Wärmetauschers ist in Abständen über jeweils drei, sternföi mig angeordnete Streben im Mantel abgestützt, wobei die Streben durch Querstreben versteift sind. Die Streben unterteilen den Ringraum zwischen Mantel und Kernrohr in mehrere hintereinander liegende Räume. Eine Versteifung des Kernrohres gegenüber einwirkenden Biegekräften durch die Streben ist weder beabsichtigt noch ausgeführt. Auf das Kernrohr einwirkende Biegekräfte würden nämlich in den Bereichen, in denen die Streben am Kernrohr abgestützt sind, das Kernrohr eindrücken und so ein Knicken des Kernrohres verursachen.

Bei der Art der Anordnung der Rohre des bekannten Wärmetauschers treten Probleme der Durchbiegung des Kernrohres beim Aufwickeln der Rohrlagen nicht auf. Ein derartiger Wärmetauscher ist jedoch ungeeignet, wenn die einzelnen Rohrlagen in ihrer gesamten Länge in einem Arbeitsgang auf das Kernrohr gewickelt werden sollen.

Bei Überschreiten einer gewissen Wickelbreite besteht die Gefahr, daß bei waagrechter Anordnung des Wärmetauschers das Kernrohr mit den aufgewickelten Rohrlagen infolge der durch sein Gewicht herbeigeführten Durchbiegung gegen das Mantelrohr gepreßt wird. Bei senkrechter Aufstellung des Wärmetauschers besteht entsprechend die Gefahr des seitlichen Ausknikkens des mit den aufgewickelten Rohrlagen versehenen Kernrohres. Darüber hinaus ergeben sich bei größeren Wickelbreiten beim Aufwickeln der Rohrlagen auf das Kernrohr, das im allgemeinen bei horizontaler Anordnung der Kernrohrachse erfolgt, infolge der großen Durchbiegung des mit den Rohrlagen versehenen Kernrohres Schwierigkeiten, da sich der Abstand zwischen der Rohrzuführvorrichtung und der obersten fertiggewickelten Rohrlage über der Wickelbreite verändert. Dieser Nachteil fällt sehr ins Gewicht, da sich dieser Abstand selbst wiederum infolge der sich mit steigender Anzahl der aul'einandergewickelten Rohrla-

6^r> ;cn vergrößernden Durchbiegung verändert. Bei Anordnung von mit den einzelnen Rohren verschweißten Abstandshaltern zwischen den aufgewickelten Rohrlagen kann schließlich infolge der bei stärkerer

Durchbiegung des bewickelten Kernrohres auf die Schweißpunkte wirkenden Kräfte eine Zerstörung der Schweißverbindung auftreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten gewickelten Rohrwärmetauscher sehr großer Wärmetauschfläche zu schaffen, der auch bei großer Länge stabil ist gegen ein seitliches Ausknicken oder ein starkes Durchhängen der gewickelten Rohrlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die radialen Stege der Scheiben mit ihnen gleichlange Rippen aufweisen und daß sie durch einen Außenring miteinander verbunden sind, der Schrägschlitze zum schraubenförmigen Aufwickeln der radial einander folgenden, über die gesamte Wärmetauschlänge reichenden Rohrlagen aufweist

Durch die erfindungsgemäßen Scheiben wird bei einem fertigmontierten Wärmetauscher eir unzulässiges Durchbiegen bzw. Durchknicken des mit den Rohrlagen versehenen Kernrohres vermieden, da mit Hilfe der Scheiben das Kernrohr immer konzentrisch und fest im Mantelrohr gehalten wird, wobei das somit eine Einheit bildende »Mantel-Kern-Rohr« äußerst stabil gegen Biegung oder Knickung ist Für das Aufwickeln der Rohrlagen auf das Kernrohr ergibt sich dabei der Vorteil, daß durch Lagerung des Kernrohres auf sämtlichen Scheiben während des gesamten Wickelvorganges der Abstand der Rohrzuführvorrichtung von der obersten fertiggewickelten Rohrlage praktisch immer gleich bleibt Wenn der Abstand der einzelnen Scheiben voneinander hinreichend klein gehalten wird, ergibt sich nämlich praktisch keine Durchbiegung des mit den aufgewickelten Rohrlagen versehenen Kernrohres. Die Schrägschlitze in den Scheiben ermöglichen das problemlose Aufwickeln der dünnen Rohre.

Die einfachen, in Massenanfertigung herstellbaren Einzelteile der Scheiben sind zweckmäßig miteinander sowie an den Kanten ihrer Berührungsflächen mit Kernrohr und Mantelrohr des Wärmetauschers mit diesen verschweißt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zur Längsachse des Kernrohres parallele Metallbänder zwischen je zwei aufeinandergewickelten Rohrlagen mit diesen, beispielsweise durch Schweißen oder mittels Rohrschellen, und mit den Scheiben, beispielsweise durch Schweißen oder Schrauben an die Rippen der Scheiben, verbunden.

Bei senkrechter Aufstellung des Wärmetauschers dienen somit die Scheiben, die sowohl am Kernrohr als auch am Mantelrohr befestigt sind, zur Aufnahme des Gewichts der Rohrlagen zwischen je zwei Scheiben über die an ihren Rippen befestigten Metallbänder. Das gesamte Gewicht der Rohrlagen des Wärmetauschers wird damit gleichmäßig auf das Kernrohr und das Mantelrohr übertragen.

Zweckmäßig ist zwischen je zwei Scheiben die äußerste der gewickelten Rohrlagen von einer dünnen zylindrischen Blechhülle umgeben, die an einem der beiden Enden mit den Außenringen der Scheiben dicht verbunden ist. Dadurch kann eine gute Uniströmung der gewickelten Rohre durch ein zwischen ihnen befindliches Gas erfolgen. Es wird vermieden, daß dieses Gas in einer Kurzschlußströmung in den Zylinderringraum zwischen der äußersten der gewickelten Rohrlagen und dem Mantelrohr von einem Fnde des Wärmetauschers zum anderen gelangt. Außerdem wirkt der durch die Blechhüllen und das Mantelrohr gebildete Zylinderringraum, in welchem sich im allgemeinen ein unbewegtes Gas befindet, wärmeisolierend.

Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, insbesondere das Aufwickeln der Rohrlagen auf das Kernrohr, wobei das Kernrohr im allgemeinen waagrecht angeordnet und gedreht wird, ergeben sich verschiedene einfache Möglichkeiten.

Für den Fall, daß das Kernrohr über die mit ihm fest verbundenen Scheiben auf Antriebsrollen abgestützt ίο wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die dünnen Rohre durch die Schrägschlitze der Scheiben einzuführen und nach Beendigung des Wickelvorganges die Schrägschlitze durch Einschweißen von Füll-Leisten zu verschließen.

In Abwandlung des Erfindungsgedankens wird das Kernrohr beim Aufwickeln der dünnen Rohre auf dieses über an den äußeren freien Enden der mit ihm verschweißten Stege lösbar angeordnete Rollen auf z. B. Halbzylinder mantelförmigen Abrollbahnen abgestützt die Rollen nach Beendigung des Wickelvorganges entfernt und der Außenring auf die Stege aufgeschoben und mit diesen verschweißt

Als weitere Möglichkeit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Kernrohr beim Aufwickeln der dünnen Rohre auf dieses bei abgezogenem Außenring über an den äußeren freien Enden der mit ihm verschweißten Stege lösbar angeordnete Zylinderringsegmente auf Antriebsrollen abzustützen, nach Beendigung des Wickelvorganges die Zylinderringsegmente zu so entfernen und den Außenring auf die Stege aufzuschieben und mit diesem zu verschweißen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher sowie die aufgeführten Verfahren zu seiner Herstellung werden nachstehend anhand von schematischen Beispielen näher erläutert Hierbei zeigt

F i g. 1 in einem schematischen Längsschnitt einen senkrecht aufgestellten erfindungsgemäßen Wärmetauscher großer Höhe,

F i g. 2 einen Wärmetauscher gemäß F i g. 1 in vergrößerter Darstellung, insbesondere seiner erfindungswesentlichen Merkmale,

die Fig.3 und 4 in Aufriß und Seitenansicht eine erfindungsgemäße Scheibe mit Schrägschlitzen,

die F i g. 5 und 6 in Aufriß und Seitenansicht die Anordnung eines mit Scheiben gemäß den F i g. 3 und 4 versehenen Kernrohres während des Wickelvorganges, F i g. 7 in Seitenansicht ein mit einer Scheibe

versehenes Kernrohr während des Wickelvorganges, W bei an den äußeren Enden der Stege anstelle des Außenringes auf einer halbzylinderförmigen Bahn abrollende Rollen lösbar angeordnet sind,

F i g. 8 in Seitenansicht ein Kernrohr mit einer Scheibe während des Wickelvorganges, wobei anstelle des Außenrings an den äußeren Enden der Stege auf Antriebsrollen lagernde ausklappbare Zylinderringsegmente lösbar angeordnet sind.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Wärmetauscher großer Bauhöhe und damit sehr großer Wärmetauschfläche weist ein Mantelrohr 1 sowie ein mit diesem durch Scheiben 2 in fester Verbindung stehendes Kernrohr 3 auf. Urn das Kernrohr 3 sind in aufeinanderfolgenden Lagen dünne Rohiι 4 gewickelt. Die einzelnen Rohrlagen durchdringen dabei die Scheiben 2, so daß die Wicklung über die gesamte Länge des Kernrohres durchlaufend ist

Die Scheiben 2 sind durch einen Außenring 5 und von diesem radial bis zum Kernrohr 3 hin verlaufende, jeweils eine Rippe 6 aufweisende Stege 7 gebildet. Die

Längserstreckung der Rippen 6 entspricht dabei der Länge der Stege 7. Die einzelnen Teile der Scheibe 2 sind miteinander sowie an den Kanten ihrer sämtlichen Berührungsflächen mit Mantelrohr 1 und Kernrohr 3 mit diesen verschweißt.

Zwischen je zwei aufeinandergewickelten Rohrlagen sind zur Längsachse des Kernrohres parallele Metallbänder 8 angeordnet, welche an die Rippen 6 angeschweißt und mit den einzelnen Rohren ebenfalls durch Schweißen oder mittels Rohrschellen verbunden sind. Die Metallbänder 8 dienen einerseits als Abstandshalter zwischen den einzelnen Rohrlagen, andererseits wird mittels ihnen und über die Scheiben 2 das gesamte Gewicht eines Rohrlagenabschnitts zwischen jeweils zwei Scheiben 2 auf Mantelrohr 1 und Kernrohr 3 übertragen.

Das gesamte Gewicht des Kernrohres wird wiederum über eine Druckscheibe 9 und ein Kegelstück 10 in den zylindrischen Fuß 11 des Mantelrohres 1 eingeleitet. Das gesamte Gewicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann somit in übersichtlicher Weise vom zylindrischen Fuß 11 auf ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Fundament übertragen werden.

Die äußerste der gewickelten Rohrlagen ist zwischen je zwei Scheiben 2 von einer dünnen zylindrischen Blechhülle 12 umgeben, welche am oberen Ende mit den Außenringen 5 dicht verbunden ist. Diese Maßnahme ermöglicht ein gutes Umströmen der Rohrlagen durch das zwischen ihnen befindliche Gas und durch sie wird über nahezu die gesamte Höhe des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ein gegen die Umgebung wärmeisolierender Zylinderringraum geschaffen.

Ein durch Pfeile A gekennzeichnetes zu erwärmendes Medium strömt beispielsweise am unteren Ende des Wärmetauschers in die einzelnen Rohre 4 ein und an seinem oberen Ende aus diesen wieder heraus. Ein durch Pfeile B markiertes abzukühlendes Medium wird am oberen Ende des Wärmetauschers in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohren 4 eingeleitet, durchströmt diese unter Wärmeabgabe an das in den Rohren 4 befindliche Medium A und verläßt den Wärmetauscher an dessen unterem Ende.

Während des Aufwickeins der Rohrlagen auf das Kernrohr 3 wird dieses waagerecht angeordnet und gedreht Es ergeben sich verschiedene Möglichkeiten für das Aufwickeln der Rohrlagen, insbesondere ihr Durchdringen der Scheiben 2.

In den Fig.3 bis 6 ist eine Möglichkeit hierfür dargestellt Das Kernrohr 3 wird dabei über die mit ihm verschweißter. Scheiben 2 auf Antriebsrollen 13 abgestützt Die in aufeinanderfolgenden Rohrlagen abwechselnd rechts und links gewundenen, dünnen Rohre 4 werden durch entsprechende in dem Außenring 5 angeordnete Schrägschlitze 14 in die Zwischenräume 15 zwischen den Stegen 7 eingeführt und auf das Kernrohr 3 aufgewickelt. Nach Beendigung des Wickelvorgangs können die Schrägschlitze 14 durch Einschweißen von in der Zeichnung nicht dargestellten Füll-Leisten geschlossen werden.

Eine weitere Möglichkeit des Aufwickeins ist in

ίο Fig. 7 dargestellt. Das Kernrohr 3 wird über an den äußeren Enden der mit ihm verschweißten Stege 7a lösbar angeordnete Rollen 16 auf halbzylinderförmigen Abrollbahnen 17 abgestützt und die einzelnen Rohrlagen werden in den Zwischenräumen 15a zwischen den Stegen 7 auf das Kernrohr 3 aufgewickelt. Anschließend werden die Rollen 16 samt ihrer Befestigungsvorrichtung 16a entfernt und der Außenring 5a auf die Stege 7a aufgeschoben und mit diesen verschweißt.
Schließlich ergibt sich für das Aufwickeln die folgende in F i g. 8 dargestellte Möglichkeit: Das Kernrohr 3 wird über an den äußeren Enden der mit ihm verschweißten Stege 7a lösbar angeordnete Zylinderringsegmente 18 auf Antriebsrollen 19 abgestützt. Die einzelnen Rohrlagen werden nach Ausklappen der Zylinderringsegmente 18 um eine in der Verlängerung der Stege 7a radial zum Kernrohr 3 verlaufende Drehachse 20 in die Zwischenräume 15a zwischen den Stegen 7a eingeführt und auf das Kernrohr 3 aufgewickelt. Nach Beendigung des Wickelvorgangs werden die Zylinderringsegmente 18

jo zusammen mit ihrer Befestigungsvorrichtung 18a von den Stegen 7a entfernt und der Außenring 5a wird auf die Stege aufgeschoben und mit ihnen verschweißt.

Wenn bei der zuletzt beschriebenen Möglichkeit des Aufwickeins der Rohre 4 das Kernrohr 3 immer in Richtung des Pfeiles 20 gedreht wird, erfolgt beim Aufwickeln ein selbsttätiges Ausklappen der Zylinderringsegmente 18, wobei der Ausklappwinkel der Zylinderringsegmente 18 in vorteilhafter Weise wesentlich kleiner ist als bei Drehung des Kernrohres 3 in entgegengesetzter Richtung.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ersetzt infolge seiner sehr großen Wärmetauschfläche mehrere bisher bekannte Wärmetauscher maximaler Größe. Er ist darum viel wirtschaftlicher als die bekannten Wärmetauscher, was nicht nur eine Folge des Fortfalls vieler Zu- und Abführleitungen, gewölbten Böden und dergleichen sowie einer Verringerung der Kälte- bzw. Wärmeverluste, sondern auch der Einsparung an Grundfläche, insbesondere bei vertikaler Aufstellung

so des Wärmetauschers; ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit einem Mantelrohr, mit auf ein im Mantelrohr konzentrisch angeordnetes Kernrohr gewickelten Lagen dünner Rohre, wobei das Kernrohr gegenüber dem Mantelrohr durch im Ringraum zwischen beiden fest angeordneten Scheiben abgestützt ist, die aus radialen Stegen und deren Außenenden miteinander verbindenden Leisten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Stege (7,7a,>der Scheiben (2,2a,>mit ihnen gleich lange Rippen (6) aufweisen und daß sie durch einen Außenring (5, 5a) miteinander verbunden sind, der Schrägschlitze (14) zum schraubenförmigen Aufwickeln der radial einander folgenden, über die gesamte Wärmetauschlänge reichenden Rohrlagen aufweist

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zur Längsachse des Kernrohres (3) parallele Metallbänder (8) zwischen je zwei aufeinander gewickelten Rohrlagen, die mit diesen und mit den Scheiben (2,2a) verbunden sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Scheiben (2, 2a) die äußerste Rohrlage von einer dünnen zylindrischen Blechhülle (12) umgeben ist, die an einem Ende mit den Außenringen (5, 5a) der Scheibe (2,2a,)dicht verbunden ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, im wesentlichen nach einem der Ansprüche 1 —3, wobei während des Aufwickeins der Rohrlagen das Kernrohr waagrecht angeordnet und gedreht wird und die in aufeinanderfolgenden Rohrlagen z.B. abwechselnd rechts und links gewundenen, dünnen Rohre in die Abstandsräume zwischen den Stegen eingeführt und auf das Kernrohr aufgewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (3) beim Aufwickeln der dünnen Rohre (4) auf dieses über an den äußeren freien Enden der mit ihm verschweißten Stege (7a) lösbar angeordnete Rollen (16) auf z. B. halbzylindermantelförmigen Abrollbahnen abgestützt wird und daß nach Beendigung des Wickelvorganges die Rollen (16) entfernt und der Außenring (5a) auf die Stege (7a) aufgeschoben und mit diesen verschweißt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers im wesentlichen nach einem der Ansprüche 1 —3, wobei während des Aufwickeins der Rohrlagen das Kernrohr waagrecht angeordnet und gedreht wird und die in aufeinanderfolgenden Rohrlagen z. B. abwechselnd rechts und links gewundenen, dünnen Rohre zwischen den Stegen eingeführt und auf das Kernrohr gewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (3) beim Aufwickeln der dünnen Rohre (4) auf dieses bei abgezogenem Außenring (5a) über an den äußeren freien Enden der mit iiim verschweißten Stege (7a) lösbar angeordnete Zylinderringsegmente (18) auf Antriebsrollen (19) abgestützt wird und daß nach Beendigung des Wickelvorganges die Zylinderringsegmente (18) entfernt und der Außenring (5a) auf die Stege (7a) aufgeschoben und mit diesen verschweißt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers im wesentlichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während des Aufwickeins der Rohrlagen das Kernrohr waagrecht angeordnet und gedreht

wird, die in aufeinanderfolgenden Rohrlagen z. B. abwechselnd rechts und links gewundenen, dünnen Rohre zwischen den Stegen eingeführt und auf das Kernrohr gewickelt werden und das Kernrohr über die mit ihm fest verbundenen Scheiben auf Antriebsrollen abgestützt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen der dünnen Rohre (4) durch die Schrägschlitze (14) erfolgt und daß nach Beendigung des Wickelvorganges die Schrägschlitze (14) durch Einschweißen von Füll-Leisten geschlossen werden.