DE3040801C2

DE3040801C2 - Element zur Erstellung eines Wärmeaustauschers insbesondere für cryogene Anwendungszwecke

Info

Publication number: DE3040801C2
Application number: DE3040801A
Authority: DE
Inventors: Paul P. Corona del Mar Calif. Duron; Jean Oberwil Tornare
Original assignee: CRYOMEC AG OBERWIL CH; Cryomec AG
Current assignee: CRYOMEC AG OBERWIL CH; Fives Cryomec AG
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1982-08-19
Also published as: SE456855B; GB2082310B; SE8104277L; US4487256A; IT8148867A0; FR2493499A1; CH647592A5; DE3040801A1; IT1171377B; FR2493499B1; GB2082310A

Description

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 einen innigen Flächenkontakt mit diesen garantiert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Element der eingangs beschriebenen Art, welches sich dadurch auszeichnet, daß die Teilelemente an den neben den axialen Trennungen gelegenen, radialen, axial ve, laufenden Rippen je eine, das benachbarte Teilelement verbindende, von der Element-Längsachse um einen vorbestimmten Abstand distanzierte Verbindungsrippen aufweisen, welche Rippen im montierten Zustand federnd form- und kraftschlüssig, mittel- oder unmittelbar miteinander im Eingriff stehen.

In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elementes anhand der Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Teilelement eines E'ementes zur Erstellung eines Wärmeaustauschers und

Fig.2 ein aus zwei identischen Teilelementen nach Fig. 1 zusammengesetztes Element;

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit einer mittelbaren Verbindung zweier Verbindungsrippen und

Fig.4 ein Detail, um miteinander verbundene Teilelemente zu lösen.

Ein Element liegt im montierten Zustand manschettenartig und unter Vorspannung um ein mediumdurchströmtes Rohr 3 an. Das Element besteht aus mindestens zwei Teilelementen 1, Γ. In der F i g. 1 ist ein mögliches Teilelement 1 dargestellt. Innen liegt eine halbrunde Mulde 10, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Rohres 3 entspricht und /ur Aufnahme eines zu kühlenden oder /u wärmenden Rohres dient Die Mulde 10 ist die Innenwand eines längsgeteilten Rohres 11, von dessen Außenseite vier im Querschnitt radial nach außen \ erlaufende Rippen 2,20,

21 angeordnet sind. Diese Rippen dienen der Aufnahme oder Abstrahlung von Wärme und haben deshalb die ihre Oberfläche vergrößernden Schikanen 31.

Die beiden äußersten Rippen 20,21 des Teilelementes 1 haben je eine ungefähr konzentrisch zum Rohr 11 verlaufende Rippe 22, 23. Diese konzentrischen Rippen werden Verbindungsrippen genannt: sie halten die Teilelemente 1 und Γ zusammen. Zu diesem Zweck weist jede Verbindungsrippe axiale, d. h. parallel zur Längsachse des Elementes verlaufende, hakenförmige Vorsprünge 24, ?,5 auf. In montiertem Zustand greifen die Vorsprünge 24, 25 zweier benachbarter Verbindungsrippen ineinander. Die Verbindungsrippen sind in einem vorbestimmten Abstand a. a 'von der Elementachse entfernt. Diese Entfernung muß so bemessen sein, daß durch eine elastische Verformung d^r beiden radialen Rippen 20, 21 die beiden Verbindungsrippen zum Eingriff gebracht werden können, so daß einerseits eine genügende Vorspannung im montierten Zustand erhalten bleibt, andererseits aber nicht eine plastische Verformung eintritt. Im gezeigten Beispiel beträgt die Entfernung mehr als ein Viertel der Radiallänge der Rippen 20,21.

Vorteilhafterweise ist eine Verbindungsrippe 23 wesentlich kürzer als die andere 22. Folglich ist die kurze Rippe 23 relativ starr, während die längere Rippe

22 eine gewisse Flexibilität aufweist. Die kürzere Rippe 21 ist um die Materialstärke der längeren Rippe 22 weiter von der Längsachse des Elementes distanziert als die längere Rippe 22.

Anhand der Fig. 2 sei die Verwendung des beschriebenen Elementes erläutert. Im Gegensatz zu bisherigen Fertigungsverfahren von Wärmeaustauschern wird hier zuerst nur das Rohrsystem der mediumdurchsirömten Rohre 3 geformt, miteinander dicht verbunden und schließlich unter hohem Druck abgepreßt, um ein eventuelles Leck festzustellen. Dieses relativ leichte, baukastenartige Rohrsystem kann in der Werkstatt vorgefertigt und dann zum Montageort transportiert werden. Nachdem die Anschlußarbeiten des Rohrsystems an die Anlage erfolgt sind, können dann die mantelartigen Elemente einfach durch Zusammendrücken der beiden Rippen 20, 21 auf die Rohre befestigt werden.

Da die Elemente vorteilhafterweise aus zwei identischen Teilelementen gebildet werden, genügt es, lange Profilstangen in der Form eines Teilelementes 1 mitzunehmen. Diese können an Ort und Stelle auf die gewünschte Länge abgeschnitten werden. An der gewünschten Stelle werden nun die halbschalenartigen Teilelemer.t.e 1, Γ um ein Rohr gelegt, so daß die von der Arbeitsseite rückwärtigen Vorsprünge 24, 25 ineinandergreifen. Drückt man nun die beiden zur Arbeitsseite gelegenen, radialen Rippen 20, 21 zusammen, werden diese elastisch deformiert, die an der gleichen Seite liegenden Verbindungsrippen schieben sich etwas mehr übereinander, und die beiden hakenförmigen, in Längsrichtung verlaufenden Vorsprünge 24, 25 schnappen ineinander. Di·; Mulden 10 liegen nun mit Vorspannung stpifl um das ummantelte Rohr 3. Die Teilelemente 1, Γ greifen nun form- und kraftschlüssig nach Maßgabe der durch die elastische Verformung der radialen Rippen 20, 21 und 20', 2Γ hervorgerufenen Vorspannung ineinander, so daß zwischen dem Rohr 3 und dem F.lemeni ein optimaler Flächenkontakt immer gewährleistet ist. Wegen den bei kryogenen Anwendungs/wecken auftretenden extrem tiefen Temperaluren um cu. - 200 C ist es wesentlich, daß keine zu hohen Vorspannwerte erreicht werden, weil eine gewisse Sprödigkcit des Materials auftreten kann.

Die Vorspannungskraft läßt sich durch verschiedene Maßnahmen, wie Materialw-.hl. Wandstärke der Rippen und Distanz der Verbindungsrippen zur Längsachse des Elementes, usw. vorbestimmen.

In gewissen Fällen ist es wünschenswert, das System auch wieder einfach zu demontieren. Hierfür sind zwei Lösungsmöglichkeiten dargestellt. In der Fig. 3 wird diese Demontage durch eine mittelbare Verbindung der beiden Vcrbindungsrippen 22', 23' erreicht. Die Verbindungsrippen weisen je eine im Querschnitt rechtwinklige Nut 28, 29 auf. In diesen Nuten 28, 29, die im montierten Zustand fast genau übereinanderliegen. liegt ein Metallstab 30, der einen etwas geringeren formgleichen Querschnitt als die beiden übereinanderliegenden Nuten 28, 29 hat. Auch hier tritt somit wieder eine form- und kraftschlüssige Verbindung auf. Zum Lösen müssen die beiden radialen Rippen 20', 21' zusammengedrückt werden, bis die Vorspannung aufgehoben ist, worauf der Metallstab 30 leicht herausgezogen werden kann und die Teilelemente auseinanderfallen.

Eine andere Möglichkeil besteht darin, daß in der kürzeren und relativ starren Verbindungsrippe 23 Ge-vindelöcher 26 angeordnet sind, in die Schrauben 27 passen, wie dies in Fig.4 dargestellt ist. Zieht man die Schrauben 27 an, so drücken diese auf den hakenförmigen Vorsprung 24 der längeren Verbindungsrippe 23. Dadurch werden die hakenförmigen Vorsprünge 24, 25

auseinander gedrückt, und die Tcilclctncnte fallen auseinander.

Es ist selbstverständlich, daß das beschriebene Element auch aus mehr als zwei Teilelementen bestehen kann. Dies kann erforderlich sein, wenn das zu ummantelnde Rohr eine besondere Querschnittsform aufweist. Weitere kältciechnische bzw. wärmelechnische Vorteile lassen sich erzielen, indem man alle vom Rohr abgewendeten Flächen schwarz eloxiert oder färbt. Vorteilhaft ist es auch, die beiden im montierten Zustand gegeneinanderlicgendcn, parallelen Trennungsflächen 11 und 12 der Mulden 10 zweier benachbarter Teilelemenic zu einer im Querschnitt radialen Richtung geneigt anzuordnen, wegen der

Radiation der Wärmestrahlung.

Weil die Halterung der Elemente unter Vorspannung auf dem Rohr 3 sowohl durch Form- wie Kraftschluß erfolgt, ist eine sichere Halterung und gute Wärmeübertragung auch bei großen Temperalurdifferenzcn ge-

lü währleistet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Axial geteiltes Element (1,1') mit im Querschnitt radialen Rippen (2) für den Wärmeaustausch, die sich über die ganze Länge des Elementes erstrecken, welches im montierten Zustand mantelartig um ein mediumdurchströmtes Rohr (3) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelemente (1, Γ) an den neben den axialen Trennungen gelegenen, radialen, axial verlaufenden Rippen {20, 21) je eine, das benachbarte Teilelement verbindende, von der Element-Längsachse um einen vorbestimmten Abstand (a, d') distanzierte Verbindungsrippen (22, 23) aufweisen, welche Rippen im montierten Zustand federnd form- und krafischlüssig, mittel- oder unmittelbar miteinander im Eingriff stehen.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrippen (22, Is) je einen -axial verlaufenden, hakenförmigen Vorsprung (24, 25) aufweisen.

3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden im montierten Zustand ineinandergreifenden Verbindungsrippen (22, 23) um die Materialdicke der Rippe voneinander verschieden von der Element-Längsachse entfernt sind.

4. Element nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrippen (22, 23) mindestens um ein Viertel der Länge der radialen Rippen von der Element-Längsachse distanziert sind.

5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Verbindungsrippen (23) eines Teilelcmenles (1) wesentlich kürzer als die andere (22) ist.

6. Element 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 im Eingriff stehenden Verbindungsrippen auseinanderschiebbarsind.

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

8. Element nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die im montierten Zustand gegeneinanderliegenden, parallelen Trennungsflächen benachbarter Teilelemente zu einer im Querschnitt radialen Richtung des Rohres (3) geneigt sind.

9. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelemente (1, Γ) aus Aluminium im Strangpreßverfahren hergestellt sind.

10. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelemente (1, 1') identisch sind.

11. Element nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Rippen (2, 20, 21) die Oberfläche vergrößernde Schikanen (31) aufweisen.

12. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelemente an den vom Rohr (3) abgewendeten Flächen schwarz gefärbt sind.

13. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrippen (22, 23) konzentrisch zum von den Teilelementen zu umschließenden Rohr (3) verlaufen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein axial zweigeteiltes Element mit radialen Rippen für den Wärmeaustausch, welches im montierten Zustand manteiartig um ein mediumdurchströmtes Rohi anliegt.
"ϊ 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 Einheit von mediumdurchströmten Rohr und Rippen. Fertigungstechnisch ist ein Baukastensystem aus Roh-

ren und montierbaren Rippen vorteilhafter. Soll ein solches Baukastensystem auch wärmetechnisch vertretbar sein, ist ein einwandfreier Flächenkontakt zwischen den Einzelteilen, d. h. Rohr und geripptem Mantel, sehr wichtig. Schon ein geringer Spalt zwischen den Flächen der Elemente stellt einen Isolator dar, der den Wirkungsgrad des Wärmeausiauschers erheblich reduziert.

In der US-PS 24 05 722 sind Elemente zur Erstellung von Wärmeaustauschern beschrieben, bei welchen das der Zirkulation eines Mediums dienende Rohr mit den Kühlrippen eine Einheit bildet. Die bogenförmige Verbindung an solche geraden parallele Rohrelemente anzuschweißen, ist jedoch, problematisch, und die einzelnen Elemente sind kostspielig. Auch in der Wahl der Materialien ist man aus Herstellungsgründen beschränkt.

Diese Nachteile wurden erkannt. Die US-Patentschriften 32 80 907 und 36 72 446 schlagen daher axial zweigeteilte Elemente mit Rippen zur Erstellung eines Wärmeaustauschers vor. Die Elemente weisen eine zylindrische Halbschale mit sternförmig angeordneten Rippen auf. Die US-PS 36 72 446 zeigt eine Lösung, bei der beidseitig der zylindrischen Halbschalen, in denen das mediumdurchströmte Rohr zu liegen kommt, axiale Halterippen auf diese direkt angeformt 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 zusammengehallen und auf das Rohr gedrückt sind. Zwar sind beim letztgenannten System die Nachteile der erstgenannten Erfindung behoben, jedoch tauchen andere, schwerwiegende Na:hteile 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, 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 kryogenen Anwendungszwecken auftreten, wirken sich hier besonders nachteilig aus. Die Montage erfolgt bei normalen Raumtemperaturbedingungen. Die Arbeitstemperaturen liegen jedoch um - 200⁰C und die Kontraktion des Materials ist erheblich. Eine Lockerung der Halterung tritt unweigerlich auf und damit eine wesentliche Verschlechterung der Temperaturübertragung vom Rohr auf die wärmeaustauschenden Elemente.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Element zu schaffen, welches zur Erstellung eines