DE3737433A1 - Baustein fuer einen kreuzstrom-roehrenwaermeaustauscher und daraus hergestellter waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Baustein für einen Kreuzstrom-Röhrenwärmeraustauscher, mit einem aus mehreren solchen Bausteinen zusammengesetzten Modul und mit einem aus einem oder mehreren solchen Modulen ge­ bildeten Kreuzstrom-Röhrenwärmeaustauscher mit einem die Wärmeaustauscherrohre enthaltenden Gehäuse, in welchem die Querströmung fließt.

Wärmeaustauscher werden in zahlreichen industriellen Ver­ fahren eingesetzt, in denen Wärme von einem heißen, fließ­ fähigen Medium (Fluid) auf ein kaltes fließfähiges Medium (Fluid) übertragen werden soll, wobei sich das heiße Fluid abkühlt und das kalte Fluid erwärmt. Zwar sind Wärmeaus­ tauscher vom grundlegenden Aufbau her einfach, weil sie z.B. keine beweglichen Teile haben müssen, aber es gibt doch einige schwerwiegende Probleme, welche der Konstrukteur von Wärmeaustauschern im konkreten Fall zu lösen hat. Der Werkstoff, aus dem der Wärmeaustauscher hergestellt wird, muss nicht nur die Temperatur des heißen Fluids aushalten können, was selbstverständlich ist, sondern muss je nach Einsatzzweck auch chemisch aggressiven Medien, wie z.B. Säuren, Basen, Solen, Alkalien etc. standhalten können. Wärmeaustauscher müssen darüberhinaus den mechanischen Be­ anspruchungen wiederstehen können, die durch erhöhte Drücke in den Fluids, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfindet, und durch Wärmeausdehnung der Werkstoffe entstehen. Zwar gibt es Werkstoffe, mit denen sich die Anforderungen er­ füllen lassen, insbesondere verschiedene Edelstähle, doch sind sie recht teuer und nicht leicht zu verarbeiten.

Es hat deshalb schon Versuche gegeben, solche Wärmeaus­ tauscher aus Kunststoff herzustellen. Diese Versuche waren aber nur teilweise erfolgreich; Probleme mit dem Verziehen der Wärmeaustauscher infolge von Wärmespannungen, mit der Dichtheit von Dichtungen, mit fehlender Kompaktheit der Bauweise und so weiter sind noch weitgehend ungelöst.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Nachteilen der bekannten Wärmeaustauscher zu begegnen durch einen neuartig aufgebauten Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art, welcher sich aus Kunststoff herstellen läßt, deshalb widerstandsfähig gegenüber den meisten chemischen Substanzen ist, und der sich kompakter und mechanisch stabiler herstellen läßt, weniger Probleme bei der Abdichtung macht und sich bei auftretenden Wärmespannungen nicht so stark ver­ zieht, wie das bei bekannten Wärmeaustauschern aus Kunst­ stoff der Fall ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man den Wärmeaus­ tauscher aus Bausteinen mit den im Patentanspruch 1 ange­ gebenen Merkmalen zusammensetzt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der neue Wärmeaustauscherbaustein enthält als integrale Bestandteile die wesentlichen Teile eines solchen Wärme­ austauschers, nämlich jeweils einen Teil des Gehäuses und einen Teil der darin verlaufenden Rohre. Mehrere solche Bausteine lassen sich zu einem Modul zusammenfügen, und aus einem oder mehreren solcher Module kann man einen vollständigen Wärmeaustauscher bilden, der in der Tat recht kompakt und mechanisch stabil ist, keine besonderen Dichtungsprobleme mit sich bringt und sich wegen seines gewählten Aufbaus nicht leicht verzieht. Weil er aus Kunststoff be­ steht, widersteht er den meisten chemischen Substanzen. Darüberhinaus kann er zur Überprüfung leicht auseinander­ gebaut und gereinigt werden und es lassen sich deshalb auch leicht einzelne Bestandteile des Wärmeaustauschers ersetzen.

In den beigefügten Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungs­ beispiele der Erfindung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Dabei werden weitere Vorteile der Erfindung deutlich werden. In der zeichnerischen Darstellung wurde das Schwergewicht auf die Darstellung der Erfindungsmerkmale gelegt. Andere bauliche Merkmale, die für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, wurden weitgehend wegge­ lassen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine schematische Gesamtansicht eines Wärmeaustauschers, welcher aus Modulen auf­ gebaut ist, die wiederum aus erfindungsge­ mäßen Bausteinen bestehen.

Fig. 2 ist eine schematische Längsschnittdarstellung durch einen Kreuzstrom-Röhrenwärmeaustauscher zur Erläuterung seiner Arbeitsweise, wobei der Aufbau aus Bausteinen nicht dargestellt wurde.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Baustein in der Vorderansicht, wobei eine Hälfte des die Rohre tragenden Teilrahmens in der zeichnerischen Dar­ stellung entfernt wurde.

Fig. 4 zeigt einen senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 3 gelegten Schnitt durch einen Abschnitt des die Rohre tragenden Teilrahmens.

Fig. 5 ist ein Schnitt entsprechend Fig. 4 durch einen Abschnitt jenes Teilrahmens, welcher zur Ver­ stärkung einen flossenförmigen Fortsatz trägt.

Fig. 6 ist ein durch die Schnittebene VI-VI ge­ legter Schnitt durch einen Teil des in Fig. 3 dargestellten Bausteins.

Fig. 7 ist ein durch die Schnittebene VII-VII ge­ legter Schnitt durch einen Teil des in Fig. 3 dargestellten Bausteins, und zwar durch eine im Doppelrahmen des Bausteins ausgebildete Trennwand.

Fig. 8 ist ein durch die Schnittebene VIII-VIII ge­ legter Schnitt durch einen Teil des in Fig. 3 dargestellten Bausteins, und zwar ist der Schnitt durch Stege gelegt, welche das innere Rahmenteil und das äußere Rahmenteil des Doppel­ rahmens des Bausteins miteinander verbinden.

Fig. 9 zeigt einen Verbindungsflansch in einer Ansicht auf seine Rückseite. Ein solcher Verbindungs­ flansch wird an beiden Enden eines Moduls be­ festigt, welcher aus mehreren Bauteilen besteht, wie sie in den Fig. 3 bis 8 dargestellt sind.

Fig. 10 zeigt den längs der Schnittfläche X-X genommenen Schnitt durch den in Fig. 9 dargestellten Ver­ bindungsflansch.

Fig. 11 zeigt, wie zwei Verbindungsflansche zusammen­ gefügt und mittels eines Spannbandes zusammen­ gehalten werden.

Fig. 12 zeigt den Verbindungsflansch aus Fig. 9, am Ende eines Moduls angebracht, in einer Ansicht auf seine Vorderseite.

Fig. 13 zeigt zur Hälfte in der Seitenansicht und zur Hälfte in einem Längsschnitt eine Endkappe für einen Wärmeaustauscher, welcher aus Bausteinen, wie sie in den Fig. 3 bis 8 dargestellt sind, und Verbindungsflanschen, wie sie in den Fig. 9 bis 12 dargestellt sind, aufgebaut ist.

Fig. 14 zeigt einen Wärmeaustauscher in einer Darstellung ähnlich wie in Fig. 2, der sich jedoch von dem in Fig. 2 dargestellten darin unterscheidet, dass er nach einem kombinierten Kreuzstrom-Gegenstrom- Prinzip arbeitet.

Fig. 1 zeigt in einer Gesamtansicht einen Kreuzstrom-Röhren­ wärmeaustauscher, der aus verschiedenen Elementen zusammenge­ setzt ist. Es ist der Hauptzweck dieser Fig. 1, die Begriffe einzuführen, die in der nachgehenden Beschreibung durchgehend verwendet werden, auch wenn sie dort Bezugszahlen tragen.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeaustauscher besteht aus drei Modulen M, von denen jeder aus mehreren Bausteinen BU besteht. Jeder Modul M ist an beiden Enden mit einem Verbindungsflansch CF versehen. Die Verbindungsflansche sind - wie weiter unten noch gezeigt werden wird - so ausgebildet, daß sie dicht zusammengefügt und mit Hilfe von Spannbändern CS zusammengeklemmt werden können. Am freien Ende des ersten und des letzten Moduls M ist jeweils eine Endkappe EC angebracht. Beide Endkappen EC haben zwei Rohrstutzen SF und TF, von denen die Rohrstutzen SF für das Fluid vorgesehen sind, welches quer zu den Rohren des Röhrenwärmeaustauschers durch das Gehäuse des Röhrenwärmeaustauschers strömt, während die Rohrstutzen TF für das durch die Rohre strömende Fluid vorgesehen sind. Die Indizes IN und OUT stehen für Einlaß bzw. Auslaß.

Die Arbeitsweise eines solchen Wärmeaustauschers ist schematisch in der Fig. 2 dargestellt. Wie man sieht, ist der Raum SFS, in welchem das eine Fluid quer zu den Rohren T strömt, von zwei Kanälen H flankiert, nämlich von einem Verteilerkanal H _IN auf der linken Seite und von einem Sammelkanal H _OUT auf der rechten Seite, welche durch die Rohre T miteinander verbunden sind. Was in der Darstellung in Fig. 2 jeweils als ein Rohr T gezeichnet ist, ist - wie weiter unten noch gezeigt wird - bei den erfindungsgemäßen Bausteinen in Wahrheit eine Anordnung von mehreren Rohren, welche in einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Ebene angeordnet sind. Die domförmigen Endkappen EC sind teilweise doppelwandig ausgeführt und bilden dadurch zum einen einen Ringraum TFS, der Verbindung mit dem Verteilerkanal H _IN bzw. mit dem Sammelkanal H _OUT hat. In den einen Ringraum TFS mündet der Rohrstutzen TF _IN , in den anderen Ringraum TFS mündet der Rohrstutzen TF _OUT .

Fig. 2 zeigt ferner Trennwände PW, welche verhindern, daß das durch den Rohrstutzen TF _IN eintretende Fluid unter Umgehung der Rohre T zum Rohrstutzen TF _OUT fließt; vielmehr trennen die Trennwände PW den Verteilerkanal H _IN vom Sammelkanal H _OUT und zwingen das durch den Rohrstutzen TF _IN eintretende Fluid durch die Rohre T, bevor es durch den Rohrstutzen TF _OUT den Wärmeaustauscher verlassen kann. Während das Fluid durch die Rohre T strömt, findet der Wärmeaustausch mit dem anderen Fluid statt, welches beim Rohrstutzen SF _IN in das Gehäuse eintritt und durch den gegenüberliegenden Rohrstutzen SF _OUT wieder austritt. Dabei werden die Rohre T von dem Fluid im Raum SFS quer angeströmt, wovon sich der Begriff Kreuzstrom- Röhrenwärmeaustauscher herleitet.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Wärmeaustauscher sind der Verteilerkanal H _IN und der Sammelkanal H _OUT durch die Rohre T parallel miteinander verbunden. Zur Verwirklichung eines kombinierten Kreuzstrom-Gegenstrom-Röhrenwärmeaustauschers können Abschnitte des Verteilerkanals und des Sammelkanals aber auch in Reihe miteinander verbunden werden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 14 dargestellt und wird weiter unten noch beschrieben.

In den Fig. 3 bis 8 ist ein Baustein 2 zum Aufbau eines Kreuzstrom-Röhrenwärmeaustauschers dargestellt. Der Baustein 2 ist ein Formteil aus Kunststoff und hat einen aus zwei Teilrahmen 6 und 8 gebildeten flachen Doppelrahmen. In Fig. 3, welche den Baustein 2 in einer Ansicht auf seine Vorderseite zeigt, ist der halbe Teilrahmen 6 weggeschnitten, um den dahinterliegenden anderen Teilrahmen 8 zum Vorschein kommen zu lassen. Der in der Ansicht der Fig. 3 vordere Teilrahmen 6 ist im einzelnen in Fig. 4 dargestellt und trägt eine Anordnung 10 von mehreren Rohren 12. Der in der Darstellung der Fig. 3 hintere Teilrahmen 8 ist im einzelnen in Fig. 5 dargestellt und hat einen ihn ringförmig umgebenden, flossenförmigen Fortsatz 14, welcher - anders, als seine Gestalt vermuten lassen könnte - nichts mit dem Wärmeübergang zu tun hat, sondern ein Mittel zum mechanischen Verstärken des Bausteins ist, welcher - wenn er zusammen mit weiteren Bausteinen zu einem Wärmeaustauscher zusammengesetzt ist - beträchtlichen Innendrücken standhalten muß.

Während man den Teilrahmen 6 am besten durch Spritzgießen herstellt, stellt man die zu der Anordnung 10 zusammengefaßten Rohre 12 am besten nach einem Kunststoffextrusionsverfahren her. Die Rohre 12 sind mit dem Teilrahmen 6 dauerhaft und dicht verbunden. Um diese Verbindung herzustellen, eignet sich ein besonderes Verfahren, gemäß dem die Rohre 12, nachdem sie auf die passende Länge zugeschnitten wurden, in eine Spritzgießform für den Teilrahmen 6 eingesetzt, darin durch Fixierelemente in vorbestimmter Position festgelegt und durch in sie eingeschobene Kerne zugestopft werden. In der so vorbereiteten Spritzgießform wird danach der Teilrahmen 6 durch Spritzgießen geformt, der dabei einstückig mit den Rohren 12 verbunden wird. Der hohe Druck und die hohe Temperatur in der Spritz­ gießform bewirken einen festen Verbund zwischen dem Werk­ stoff der extrudierten Rohre 12 und dem frisch eingespritzten Werkstoff des Teilrahmens 6. Die mechanische Festigkeit dieses Verbundes entspricht ungefähr der Festigkeit der verwendeten Kunststoffe selbst.

Die Rohre 12 sind in der Anordnung 10 mit Abstand zueinander angeordnet. Durch die Spalte 16 zwischen benachbarten Rohren 12 fließt jenes Fluid, welches die Rohre 12 im Gehäuse des Wärmeaustauschers quer anströmt.

Der Teilrahmen 8 wird durch Spritzgießen in einer gesonderten Spritzgießform hergestellt. Zur Bildung des vollständigen Bau­ steins, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, werden ein Teilrahmen 6 und ein Teilrahmen 8 miteinander verschweißt. Wie die beiden Teilrahmen 6 und 8 zum Baustein 2 zusammengesetzt werden, ist anschaulich in der Schnittdarstellung der Fig. 6 zu sehen. Das Verschweißen kann mittels eines dünnen, passend ge­ formten Heizelementes geschehen, welches zwischen die beiden miteinander zu verbindenen Teilrahmen 6 und 8 gelegt wird. Mit diesem dünnen Heizelement werden die miteinander zu ver­ bindenden Oberflächen der beiden Teilrahmen 6 und 8 erhitzt, und wenn sie ihre Erweichungstemperatur erreicht haben, wird das Heizelement weggezogen und die beiden Teilrahmen 6 und 8 werden gegeneinandergedrückt. Im englischen Sprachgebrauch ist dieses Verfahren als "hot knife"-Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren muss man natürlich darauf achten, dass die beiden Teilrahmen relativ zueinander exakt positioniert sind, bevor sie zusammengedrückt und dadurch verschweißt werden.

Der an beiden Teilrahmen 6 und 8 ausgebildete Doppelrahmen besteht aus einem inneren Rahmenteil 18, 18′ und aus einem äußeren Rahmenteil 20, 20′. Die inneren Rahmenteile 18, 18′ begrenzen gemeinsam eine Öffnung 22, welche einen Teil des Raumes im Gehäuse des Wärmeaustauschers darstellt, durch welchen jenes Fluid hindurchfließt, welches die Rohre 12 quer anströmt. Der lichte Querschnitt dieser Öffnung 22 ist im Teilrahmen 6 durch die dort verlaufenden Rohre 12 natürlich reduziert und wird dort durch die Summe der Spalte 16 bestimmt.

Die äußeren Rahmenteile 20, 20′ umgeben die inneren Rahmen­ teile 18, 18′ unter Einhaltung eines Abstandes a. In Ver­ bindung mit zwei an gegenüberliegenden Ecken des Doppel­ rahmens angeordneten Trennwänden, durch welche der in Fig. 7 dargestellte Schnitt gelegt ist, sind durch den Zwischenraum zwischen dem inneren Rahmenteil 18, 18′ und dem äußeren Rahmenteil 20, 20′ zwei in der Ansicht der Fig. 3 L-förmige Kanalabschnitte 26 und 26′ gebildet, von denen durch das Zusammenfügen mehrerer Bausteine zu einem Wärmeaustauscher einer zum Verteilerkanal und einer zum Sammelkanal ergänzt wird. Wie Fig. 7 zeigt, werden diese Trennwände 28, 28′ durch zwei das innere Rahmenteil 18, 18′ mit dem äußeren Rahmenteil 20, 20′ verbindende Stege 30 und 32 gebildet, von denen der Steg 30 dem Teilrahmen 6 und der Steg 32 dem Teilrahmen 8 angehört. Die beiden Stege 30 und 32 werden beim Verschweißen der beiden Teil­ rahmen 6 und 8 miteinander verbunden.

Die in der Anordnung 10 zusammengefaßten Rohre 12 münden auf der einen Seite in den Kanalabschnitt 26, welcher sich in der Darstellung der Fig. 3 von der in der linken oberen Rahmenecke gelegenen Trennwand 28 entgegen dem Uhr­ zeigersinn bis zu der in der gegenüberliegenden Ecke ge­ legenen Trennwand 28′ erstreckt, und auf der anderen Seite münden die Rohre 12 in den anderen Kanalabschnitt 26′, welcher sich von der Trennwand 28′ entgegen dem Uhrzeiger­ sinn bis zur Trennwand 28 erstreckt. Die beiden Kanalab­ schnitte 26 und 26′ sind mithin voneinander getrennt und in der Ebene des Bausteins 2 besteht keinerlei Strömungs­ verbindung zwischen ihnen.

Die inneren Rahmenteile 18, 18′ und die äußeren Rahmenteile 20, 20′ sind nicht nur durch die Stege 30 und 32 mitein­ ander verbunden, welche die Trennwände bilden, sondern da­ rüberhinaus durch mehrere relativ dünne und schmale, finger­ ähnliche Stege 34, welche in den Fig. 3 und 8 dargestellt sind.

Wenn man nun mehrere solcher Bausteine 2 stumpf miteinander verschweißt, und zwar so, dass die inneren Rahmenteile 18 bzw. 18′ mit den benachbarten inneren Rahmenteilen und die äußeren Rahmenteile 20 bzw. 20′ mit den benachbarten äußeren Rahmenteilen verschweißt werden, wobei die Bausteine 2 so zusammengefügt werden, dass die Trennwände 28 und 28′ in ihnen alle die gleiche Lage haben, dann ergänzen sich die Öffnungen 22 in der Folge der Bausteine 2 zu dem in Fig. 2 mit SFS bezeichneten Gehäuseinnenraum, in welchem jenes Fluid fließt, welches die Rohre 12 quer anströmt, und die Kanalelemente 26 und 26′ der Folge von Bausteinen 2 werden in axialer Richtung (Richtung senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 3) zu dem in Fig. 2 mit H _IN bezeichneten Verteilerkanal bzw. zu dem mit H _OUT bezeichneten Sammelkanal er­ gänzt. In den flossenförmigen Fortsätzen 14 befinden sich Zentrierlöcher 36, die das passgenaue Zusammenfügen und Zentrieren der Bausteine 2 bis zum Abschluß des Stumpf­ schweißvorganges erleichtern.

Damit aus mehreren so zusammengefügten und miteinander ver­ schweißten Bausteinen 2 ein fertiger Modul M (Fig. 1) für einen Wärmeaustauscher wird, müssen beide Enden dieses Stapels aus Bausteinen noch mit Ver­ bindungsflanschen versehen werden, die es erlauben, mehrere solche Module miteinander zu verbinden und/oder die in Fig. 1 mit EC bezeichneten Endkappen anzubringen.

Ein solcher Verbindungsflansch 38 ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Er besteht aus einem ersten, im Umriß im wesentlichen quadratischen Teil 40 mit Vorsprüngen 42 für das Stumpfschweißen; die Gestalt dieses im wesentlichen quadratischen Teiles 40 ist der Gestalt des Doppelrahmens des Bausteins 2 angepaßt und kann deshalb mit diesem ver­ schweißt werden. Der Verbindungsflansch 38 besteht ferner aus einem zweiten, im wesentlichen ringförmigen Teil 44, mit dem er mit einem dazu passenden, gleichartigen weiteren Verbindungsflansch verbunden werden kann. Der Verbindungs­ flansch 38 hat eine große, zentrale Öffnung 46, welches nach dem Zusammenbau Verbindung hat mit dem Raum, in welchem das Fluid quer zu den Rohren 12 strömt. Der Verbindungs­ flansch 38 hat ferner zwei kleinere, seitliche Öffnungen 48, (siehe auch Fig. 12) welche um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Verbindungsflansche 38 werden so an den beiden Enden des Stapels aus mehreren Bausteinen 2 ange­ bracht, dass die seitlichen Öffnungen 48 des einen Ver­ bindungsflansches Verbindung mit dem Verteilerkanal und die seitlichen Öffnungen 48 im Verbindungsflansch am anderen Ende des Moduls Verbindung mit dem Sammel­ kanal im Modul 37 haben, welche - wie es die Fig. 3 zeigt - eine L-förmige Querschnittsgestalt haben, welche mit der um 90° versetzten Anordnung der seitlichen Öffnungen 48 korrespondiert. Deshalb liegen die seit­ lichen Öffnungen 48 im Verbindungsflansch 38 am einen Ende des Moduls M (Fig. 1) nicht deckungsgleich mit den seit­ lichen Öffnungen 48 im Verbindungsflansch 38 am gegenüberliegen­ den Ende des Moduls M, sondern demgegenüber um 180° ver­ setzt. Um zwei Verbindungsflansche 38 dicht miteinander verbinden zu können, sind O-Ringe 50 vorgesehen, welche in passenden Ausnehmungen liegen. Ausserdem ist die rück­ seitige Oberfläche 52 des ringförmigen Teils 44 des Ver­ bindungsflansches konisch ausgebildet, und zwar so, dass die Dicke dieses ringförmigen Teils 44 zum radial aussen­ liegenden Rand des ringförmigen Teils 44 abnimmt. Wie man anhand der Fig. 11 sieht, welche zwei zusammengefügte Ver­ bindungsflansche zeigt, wird um die beiden aneinanderliegen­ den ringförmigen Flanschteile ein sich im Profilquerschnitt keilförmig erweiterndes Spannband 54 herumgelegt und fest angezogen, wodurch die beiden Verbindungsflansche fest gegen­ einandergedrückt werden. Das Anziehen des Spannbandes 54 er­ folgt am besten mittels einer üblichen Spannvorrichtung mit einer tangential angeordneten Schraube, welche am einen Ende des Spannbandes gelagert ist und in ein am anderen Ende des Spannbandes angeordnetes Gegengewinde eingedreht wird.

Um eine dichte Verbindung zwischen den beiden Ver­ bindungsflanschen herstellen zu können, hat der Ver­ bindungsflansch, welcher zu dem in Fig. 10 dargestell­ ten Verbindungsflansch paßt, eine demgegenüber gering­ fügig abgeänderte Querschnittsgestalt, wie in Fig. 11 gezeigt, worin der mit der Fig. 10 übereinstimmende Verbindungsflansch mit B und der dazu passende Verbin­ dungsflansch mit A bezeichnet sind. Die Spannbänder 54 korrespondieren mit denen, die in Fig. 1 mit CS be­ zeichnet sind.

Fig. 12 zeigte einen Verbindungsflansch vom Typ A wie in Fig. 11 gezeichnet, welcher das eine Ende eines aus mehreren Bausteinen gebildeten Moduls M bildet. Von dem Baustein 2, welcher dem dargestellten Verbindungsflansch benachbart ist, sieht man den flossenförmigen Fortsatz 14 und - durch die zentrale Öffnung des Verbindungsflansches hindurch - die quer angeströmte Anordnung 10 aus mehreren Rohren. Ausserdem sieht man in Fig. 12 deutlich die beiden seitlichen Öffnungen 48 und die beiden O-Ringe 50.

Kehren wir zurück zur Fig. 1. Dort sehen wir, dass man zur Vervollständigung des Wärmeaustauschers zwei Endkappen EC benötigt. Eine solche Endkappe ist in Fig. 13 dargestellt und dort mit der Bezugszahl 56 bezeichnet.

Die Endkappe 56, welche mit einem Verbindungsflansch vom Typ A versehen ist (die gegenüberliegende Endkappe würde demgemäß mit einem Verbindungsflansch vom Typ B versehen sein) hat einen zentralen Innenraum 58, welcher Verbin­ dung hat mit der zentralen Öffnung 46 im angrenzenden, gestrichelt gezeichneten Verbindungsflansch 38 (Typ B) des Moduls, an dessen Ende sich die Endkappe 56 befindet. Die Endkappe 56 hat ferner einen zentralen Rohrstutzen 60, welcher in diesen zentralen Innenraum 58 einmündet, sowie einen seitlichen Rohrstutzen 62, welcher in einen Ring­ raum 64 einmündet, der mit den seitlichen Öffnungen 48 im angrenzenden Verbindungsflansch 38 und über diesen ent­ weder mit dem Verteilerkanal oder mit dem Sammelkanal im angrenzenden Modul M in Verbindung steht. Bei den zentralen Rohrstutzen 60 handelt es sich um jene, die in der Dar­ stellung der Fig. 2 mit SF _IN bzw. SF _OUT bezeichnet sind; über diese wird jenes Fluid zugeführt, welches die im Ge­ häuse des Wärmeaustauschers verlaufenden Rohre 12 bzw. T quer anströmt. Die seitlichen Rohrstutzen 62 hingegen führen das durch die Rohre 12 strömende Fluid zu bzw. ab. Natür­ lich sind der zentrale Innenraum 58 und der Ringraum 64 strömungsmässig voneinander isoliert; zu diesem Zweck ist der innere der beiden O-Ringe 50 vorgesehen, wohingegen der äussere der beiden O-Ringe 50 den Ringraum 64 nach aussen hin abdichtet. Wie man anhand der Fig. 13 weiterhin sieht, ist die Endkappe 56 in gleicher Weise mittels eines profi­ lierten Spannbandes mit dem angrenzenden Modul M verbunden, wie es die Module untereinander sind.

Bei dem bisher beschriebenen Wärmeaustauscher sind, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, der Verteiler­ kanal H _IN und der Sammelkanal H _OUT parallel miteinander verbunden. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, einen Wärmeaustauscher so aufzubauen, dass die Kanäle, in die die Rohre 12 einmünden, durch die Rohre in Reihe miteinander verbunden werden. Man kommt dann zu einem Aufbau eines Kreuzstrom-Röhrenwärmeaustauschers, in welchem die Prinzipien des Kreuzstroms und des Gegen­ stroms miteinander kombiniert sind. Es gibt Anwendungen, in denen ein solcher Aufbau Vorteile hat.

Ein solcher Aufbau ist in Fig. 14 dargestellt, in welchem Gruppen aus je vier Bausteinen 2 in Reihe miteinander ver­ bunden sind. Dies erreicht man durch zwei Maßnahmen:

• 1) Wenn die Bausteine zum Zusammenbau von Modulen durch Stumpfschweißen zusammengesetzt werden, dann wird jede Gruppe von vier Bausteinen gegenüber der benachbarten Gruppe um 90° verdreht, so dass die Trennwände 28 nicht mehr miteinander fluchten. Auf diese Weise wird der Sammel­ kanal der einen Gruppe zum Verteilerkanal der nächsten Gruppe (siehe Fig. 14).
• 2) Zusätzlich oder alternativ zur Maßnahme (1) wird die Schnittstelle zwischen dem Sammelkanalabschnitt des (bezogen auf die Strömungsrichtung in den Rohren) ersten Bausteins in einer Gruppe und dem Verteilerkanalabschnitt des letzten Bausteins der (bezogen auf die Strömungs­ richtung in den Rohren) stromauf unmittelbar angrenzen­ den Gruppe abgedeckt. Dies erreicht man dadurch, dass man vor dem Stumpfschweißen einen dünnen, L-förmigen Gummistreifen RS in die flache Ausnehmung 66 zwischen den beiden genannten Bausteinen einlegt und sie dann miteinander verschweißt.

Dabei muss man natürlich auf die Richtung der Strömung achten, welche im Gehäuse quer zu den Rohren 12 ver­ läuft und welche natürlich der Richtung, in welcher die Strömung durch die in Reihe verbundenen Verteiler- und Sammelkanäle fortschreitet, entgegengerichtet sein soll.

Wieviele Bausteine zu einem Modul und wieviele Module zu einem Wärmeaustauscher zusammengefügt werden, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Entsprechendes gilt für den Fall der Fig. 14 hinsichtlich der Überlegung, wie viele Bausteine zu einer Gruppe zusammengefaßt werden.

Claims (11)

1. Baustein für einen Kreuzstrom-Röhrenwärmeaustauscher, dessen Wärmeaustauscherrohre in einem Gehäuse angeordnet sind, in welchem sie quer angeströmt werden, gekennzeichnet durch
einen i.w. flachen Doppelrahmen, bestehend aus einem inneren Rahmenteil (18, 18′), welches eine Öffnung (22) begrenzt, die bei zusammengebautem Wärmeaustauscher einen Teil des Raumes im Gehäuse bildet, der von dem die Wärmeaustauscher­ rohre (12) quer anströmenden Fluid (nachfolgend auch als Quer­ strömung bezeichnet) eingenommen wird, und aus einem äußeren Rahmenteil (20, 20′), welches das innere Rahmenteil (18, 18′) wenigstens teilweise in einem Abstand umgibt, wodurch zwischen den beiden Rahmenteilen (18, 18′ und 20, 20′) ein Kanalabschnitt (26, 26′) gebildet wird, in welchen Wärmeaustauscherrohre (12) einmünden, und
wenigstens zwei Trennwände (28, 28′), welche die beiden Rahmenteile (18, 18′) miteinander verbinden und den Kanal­ abschnitt (26, 26′) in einen Verteilerkanalabschnitt (26 oder 26′) und einen davon getrennten Sammelkanalabschnitt (26′ oder 26) unterteilen,
wobei in der Öffnung (22) mehrere Wärmeaustauscherrohre (12) nebeneinanderliegend angeordnet sind und sich von einer Seite der Öffnung (22) bis zur gegenüberliegenden Seite der Öffnung (22) erstrecken, wobei sich zwischen benachbarten Rohren (12) Spalte (16) für die Querströmung befinden und jedes Rohr (12) mit seinem einen Ende in den Verteilerkanal­ abschnitt (26 oder 26′) und mit seinem anderen Ende in den Sammelkanalabschnitt (26′ oder 26) mündet.

2. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrahmen aus zwei fest und dicht miteinander verbundenen Teilrahmen (6, 8) besteht, von denen wenigstens einer die Rohre (12) trägt.

3. Baustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rahmenteil (18, 18′) wenigstens eines oder beider Teilrahmen (6, 8) mittels verhältnismässig dünner, streifenförmiger Stege (34) mit dem zugehörigen äußeren Rahmenteil (20, 20′) verbunden ist.

4. Baustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Teilrahmen (8) mit einem oder mehreren Verstärkungselementen (14) versehen ist.

5. Baustein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilrahmen (8) zur Verstärkung von einem kreis­ runden, flossenförmigen Fortsatz (14) umgeben ist.

6. Aus mehreren aufeinandergeschichteten Bausteinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zusammenge­ setzter Modul eines Kreuzstrom-Röhrenwärmeaustauschers, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bausteine (2) an ihren Doppelrahmen dicht und fest miteinander verbunden sind, und zwar sowohl jeweils inneres mit innerem Rahmenteil (18, 18′) als auch äußeres mit äußerem Rahmenteil (20, 20′), wodurch sich die Öffnungen (22) zu dem Raum, der von der Querströmung eingenommen wird, und die Kanalabschnitte (26, 26′) zu einem Sammelkanal (H _OUT ) und einem Verteilerkanal (H _IN ) vereinigen,
und daß am ersten und am letzten Baustein (2) des Moduls jeweils ein Verbindungsflansch (38) dicht und fest angebracht ist, der eine verhältnismäßig große, mit dem Raum für den Querstrom kommunizierende, zentrale Öffnung (46) und eine oder mehrere kleinere, seitliche Öffnungen (48) hat, die mit dem Verteilerkanal (H _IN ) bzw. mit dem Sammelkanal (H _OUT ) kommunizieren.

7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsflansch (38) in Durchgangsrichtung hintereinander ein erstes, in der Gestalt dem Doppel­ rahmen entsprechendes Teil (40) zum dichten und festen Verbinden mit dem Doppelrahmen eines Bausteins (2) und ein zweites, i.w. ringförmiges Teil (44) aufweist, welches zur Befestigung an einem weiteren Verbindungs­ flansch bestimmt ist.

8. Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Oberfläche (52) des i.w. ring­ förmigen Teils (44) des Verbindungsflansches (38) konisch ausgebildet ist, so dass sie sich von innen nach aussen der vorderseitigen Oberfläche des Teils (44) annähert.

9. Ein aus mehreren Modulen nach einem der Ansprüche 6 bis 8 zusammengesetzter Kreuzstrom-Röhrenwärmeaus­ tauscher mit einem die Wärmeaustauscherrohre (12) ent­ haltenden Gehäuse, in welchem die Querströmung fließt.

10. Ein aus einem oder mehreren Modulen gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 hergestellter Kreuzstrom-Röhren­ wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass zwei End­ kappen (56) vorgesehen sind, die beide mit einem Ver­ bindungsflansch, mit dessen Hilfe sie dicht an den Ver­ bindungsflanschen (38) an den beiden freien Enden des Moduls bzw. der aus mehreren Modulen gebildeten Baugruppe angebracht sind, und mit zwei Rohrstutzen (60, 62) ver­ sehen sind, von denen der erste (60) in einen ersten Raum (58) mündet, der über die zentrale Öffnung (46) in den Verbindungsflanschen (38) mit dem Raum für die Querströmung in Verbindung steht, während der zweite Rohrstutzen (62) in einen zweiten, gegenüber dem ersten Raum (58) abgedichteten Raum (64) mündet, der über die seitlichen Öffnungen (48) in den Verbindungsflanschen (38) mit dem Verteilerkanal (H _IN ) oder mit dem Sammelkanal (H _OUT ) in Verbindung steht, und dass Spannvorrichtungen (54) vorgesehen sind, mit denen je zwei Verbindungsflansche (38) dicht gegenein­ ander gepreßt werden können.

11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Spannvor­ richtungen (54) um profilierte Spannbänder handelt, welche um die konischen rückseitigen Oberflächen (52) zweier benachbarter ringförmiger Flanschteile (44) herumgelegt und festgezogen werden, wodurch sich die beiden Ver­ bindungsflansche (38) einander annähern.