[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit zwei parallel angeordneten
Sammelrohren, die über eine Vielzahl von U-förmig angeordneten Profilrohren miteinander
in Verbindung stehen.
[0002] Ein derartiger Wärmetauscher, wie er beispielsweise aus der DE-PS 36 35 549 bekanntgeworden
ist und sich besonders für hohe Gastemperaturen und hohe thermische, zyklische Belastungen
eignet, wird bisher dadurch hergestellt, daß die einzelnen Bauteile, d. h. die Profilrohre
und Sammmelrohrabschnitte mittels Löten oder Schweißen fest miteinander verbunden
werden. Dabei können die Sammelrohre aus zwei zusammengefügten Halbschalen oder aus
einzelnen kürzeren Rohrabschnitten bestehen, die hintereinander angeordnet miteinander
verlötet werden.
[0003] Die feste Verbindung der Bauteile mittels Löten oder Schweißen wurde bisher als erforderlich
angesehen, um zu verhindern, daß im Betrieb Leckströme zwischen den wärmetauschenden
Medien auftreten. Dies ist vor allem wegen der erheblichen Thermobeanspruchungen,
insbesondere bei instationärem Betrieb oder wegen äußerer oder durch den Gasstrom
hervorgerufenen Schwingungen problematisch.
[0004] Nachteilig bei den beschriebenen Ausführungen wirkt sich aus, daß bei Undichtheiten,
die entweder durch fehlerhafte Herstellung oder durch Werkstoffermüdung auftreten
können, vielfach eine aufwendige Reparatur oder sogar ein Austausch des gesamten Wärmetauschers
erforderlich ist. Bei Stoßbelastung quer zur Sammelrohrachse können durch instationäre
Massenkräfte außerdem hohe Spannungsspitzen an den Verbindungsstellen zwischen Sammelrohr
und Profilrohren auftreten, womit die Gefahr von Anrissen und damit Lecken verbunden
ist, da die Sammelrohre eine große Anzahl von Profilrohren aufnehmen. Als gefährliche
Folge von Anrissen tritt eine örtliche Schwächung der Steifigkeit und Festigkeit der
Sammelrohre ein, wodurch ein progressives Anwachsen der örtlichen Spannungsspitzen
und damit eine progressive Schädigung bis zum Bruch ausgelöst wird.
[0005] Insbesondere bei Stößen in Richtung der Profilrohrachsen ist dies kritisch, da hier
die Felder am Umfang der Sammelrohre, die zur Aufnahme der U-förmigen Profilrohre
dienen, im Bereich der höchsten Zug- und Druckspannungen liegen. In diesem Falle tritt
daher aufgrund des geringen Widerstandsmoments der Sammelrohre eine rasche progressive
Schädigung bei Wechsel- bzw. Stoßbeanspruchung ein. Die bei Durchbiegung der Sammelrohre
in Belastungsrichtung entstehende Stützwirkung aufgrund der Annäherung der Profilrohre
auf der einen Seite spielt dabei eine untergeordnete Rolle.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art derart
zu verbessern, daß durch geringere Belastung die Entstehung von Anrissen verhindert
wird. Weiterhin soll bei Anrissen eine progressive Höherbelastung vermieden werden.
Bei mechanischer Stoßbelastung soll eine geringere Deformation der Sammelrohre und
damit ein niedrigeres Spannungsniveau an den gefährdeten Stellen erzielt werden.
[0007] Weiterhin ist es Aufgabe, weniger hohe Qualitätsanforderungen der Verbindung Profilrohre/Sammelrohre
zu ermöglichen, die nunmehr sehr viel geringere mechanische Belastungen zu übertragen
brauchen, d. h. in der Hauptsache dichten müssen. Schließlich soll eine vereinfachte
Fertigung, Kontrolle, Inspektion, Reparatur des Wärmetauschers ermöglicht werden.
[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sammelrohre aus einer Anzahl
Sammelrohrabschnitten bestehen, die axial hintereinander dichtend und lösbar angeordnet
sind und durch je ein an den Sammelrohrabschnitten abgestütztes und konzentrisch innerhalb
der Sammelrohre beabstandet angeordnetes Zugrohr zusammengehalten werden.
[0009] Durch die Ausbildung der Sammelrohre als einer Anzahl hintereinander angeordneter
und lösbar miteinander verspannter Sammelrohrabschnitte ist es möglich, im Fall einer
Leckstelle im Wärmetauscher diesen zu demontieren und das fehlerhafte Element zu ersetzen.
Dadurch ist eine erheblich wirtschaftlichere Herstellung und Wartung des Wärmetauschers
möglich Weiterhin erhalten die Sammelrohre durch die Zugrohre vorteilhafterweise
eine vergrößerte Biegesteifigkeit, wodurch die Anrißwahrscheinlichkeit bei Stoßbelastungen
reduziert ist. Auch ist die Inspektion einzelner Wärmetauscherelemente wesentlich
einfacher, als die Inspektion eines kompletten Wärmetauschers.
[0010] Durch die konzentrisch innerhalb der Sammelrohre angeordneten Zugrohre wird eine
Versteifung des Wärmetauschers ermöglicht, wobei die auf die Sammelrohre wirkenden
Stoß- und Biegebelastungen durch das Versteifungsmittel aufgenommen werden, und die
Sammelrohrwand nur noch die Druckkräfte und Trägheitskräfte der Profilrohre aufnehmen
muß. Hierdurch ist die Gefahr von Rißbildung erheblich vermindert.
[0011] Durch die Aufnahme der bei Stößen in Richtung der Profilrohrachse an den Sammelrohren
auftretenden Biegebelastung wird deren Durchbiegung und damit das Spannungsniveau
in den Sammelrohrwandungen - insbesondere in den Feldern zur Aufnahme der Profilrohre
- durch die Zugrohre vorgegeben bzw. auf niedrigem Niveau gehalten.
[0012] Treten aufgrund örtlich hoher thermischer oder mechanischer Belastung, vor allem
in den Feldern zur Aufnahme der Profilrohre, Anrisse auf, so tritt dadurch keine Schädigung
des Gesamtsystems ein, da bei der gewählten Ausführung durch die Anrisse örtliche
Spannungen abgebaut werden, so daß eine gewisse Beruhigung eintritt.
[0013] Dies hat weiter den Vorteil, daß bei vorgegebener, auch bei Anrissen nicht weiter
erhöhter örtlicher Belastung im kritischen Bereich der Sammelrohre eine wesentliche
Verlängerung der Lebensdauer der Sammelrohre unter mechanisch/thermischer Belastung
erreicht wird. Zugleich ist von Vorteil, daß die Verbindung zwischen Sammelrohren
und Profilrohren, die vorzugsweise durch Löten erfolgt, nicht mehr dieselbe festigkeitstechnische
Qualität zu haben braucht wie bei einer Lösung, bei der die Sammelrohre zugleich die
gesamte Biegebeanspruchung aufzunehmen haben.
[0014] Vorzugsweise sind die Zugrohre mit einer Vielzahl von über der Oberfläche verteilter
Durchbrüche versehen, so daß die in den Sammelrohren strömende Luft ungehindert aus
dem einen Sammelrohr in die Profilrohre und aus den Profilrohren in das andere Sammelrohr
eintreten kann. Dabei ist die Wandstärke so bemessen, daß die erforderliche Steifigkeit
bzw. Festigkeit in jeder Stoßrichtung gegeben ist.
[0015] In vorteilhafter Ausbildung stehen die Sammelrohre bei Betrieb des Wärmetauschers
unter erhöhter axialer Druckspannung, wodurch die Gefahr von Anrissen bzw. Leckagen
weiter vermindert wird. Vorzugsweise besitzen zu diesem Zweck die Zugrohre einen geringeren
Wärmedehnungskoeffizienten als die Sammelrohre. Diese Wirkung wird zudem dadurch
erreicht, daß die Sammelrohre sich mehr aufheizen als die innen liegenden Zugrohre.
[0016] Die Verspannung mittels der Zugrohre ist dabei so einzustellen, daß bei stationärem
Betrieb genügend hohe Druckkräfte an den Stirnflächen der Sammelrohrabschnitte wirken
und gleichzeitig bei instätionaren Bedingungen an den Zugrohren die Zugbelastungen
im Bereich der elastischen Dehnung bleiben.
[0017] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Schrägansicht des demontierten Wärmetauschers,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein Sammelrohr,
Fig. 3 einen Querschnitt eines Wärmetauschers.
Fig. 4a ein Detailschnitt der Zugrohrbefestigung,
Fig. 4b die zweite Zugrohrbefestigung im Schnitt.
[0018] In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 1 gezeigt, dessen Sammelrohre 2 und 3 aus mehreren
hintereinander angeordneten Sammelrohrabschnitten 5,6 bestehen. Die Sammelrohre 2
und 3 sind über eine Vielzahl U-förmig gebogener Profilröhrchen 21 miteinander verbunden.
Die Wirkungsweise des Wärmetauschers ist folgende: Ein kühler Gasstrom tritt axial
in das Sammelrohr 2 ein. Der Gasstrom teilt sich auf und durchfließt die Vielzahl
der in dem Sammelrohr 2 eingelassenen U-förmig gekrümmten Profilröhrchen 21 zum Sammelrohr
3. Dabei erhitzt sich das Gas aufgrund des außen in der mit 36 angedeuteten Richtung
im Kreuz-Gegenstrom anfließenden Heißgases. Der erwärmte innere Gasstrom vereinigt
sich wieder im Sammelrohr 3 und fließt durch das Sammelrohr 3 axial ab.
[0019] Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Wärmetauschers 1 im Querschnitt. Dabei ist das
aus einzelnen Sammelrohrabschnitten 5,6 bestehende Sammelrohr 2 an einem Ende mit
einem Sammelrohrendabschnitt 12 versehen, durch den der innen geleitete Gasstrom
zugeführt wird. Am entgegengesetzten Ende des Sammelrohres 2 ist ein verschlossener
Sammelrohrendabschnitt 11 vorgesehen. In der Wand des Sammelrohres 2 sind eine Vielzahl
von Profilröhrchen 21 mittels Löten oder Schweißen angebracht. Zwischen den einzelnen
Sammelrohrabschnitten 5,6 mit den verbundenen Profilröhrchen 21 sind Zwischenplatten
37 vorgesehen.
[0020] Im inneren des Sammelrohres 2 ist ein Zugrohr 15 angeordnet, das an den Stoßstellen
4 zweier axial hintereinander liegender Sammelrohrabschnitte 5,6 in Paßverbindung
mit dem Sammelrohr 2 steht. Das Zugrohr 15 ist an den Stellen 7,8 mit den Sammelrohrendabschnitten
11,12 verbunden, wobei eine definierte Verspannung des Zugrohres 15 mittels nicht
dargestellter Schraubverbindungen einzustellen ist. In den Abschnitten des Zugrohres
15, die den Profilrohren 21 gegenüberliegen, ist das Zugrohr 15 mit einer Anzahl Durchbrüche
18 versehen, die regelmäßig über dem Umfang verteilt sein können. Hierdurch wird die
Gasströmung aus dem Inneren des Zugrohres 15 zu den Profilröhrchen 21 bzw. im Sammelrohr
3 umgekehrt ermöglicht. An den Sammelrohrend abschnitten 11 und 12 sind ferner Endplatten
38 befestigt, die parallel zu den Zwischenplatten 27 angeordnet sind. Die in Fig.
2 dargestellte und oben beschriebene Anordnung von Sammelrohr 2 und Zugrohr 15 ist
analog im Sammelrohr 3 und Zugrohr 16 realisiert.
[0021] Die Zwischenplatten 37 und Endplatten 38 sind so ausgeführt, daß die Sammelrohrabschnitte
5 und 6 an ihren Stirnseiten schmale Streifen 39 ohne Profilröhrchen 21 erhalten,
die aus Festigkeitsgründen notwendig sind.
[0022] Die zwischen den Sammelrohrabschnitten 5,6 angeordneten Zwischenplatten 37 sowie
die Endplatten 38 werden miteinander uber die Berandungsbleche 40 an den Bogenseiten
41 der Profilrohre miteinander verbunden, wobei die Berandungsbleche 40 gleichzeitig
der Gasführung dienen. Weiterhin verhindern die Zwischenplatten 37 und Endplatten
38 zusammen mit den Berandungsblechen 40 bei Stößen in Sammelrohraxialrichtung die
Auslenkung bzw. Deformation der Profilrohre, in dem die Auslenkung der Bogenseiten
41 in Sammelrohrachsrichtung insgesamt vermieden wird. Hierzu ist an einem der Berandungsbleche
40 eine Nase 42 angebracht, die durch ein an dem Wärmetauscher 1 umgebenden Gehäuse
43 befestigtes Gegenstück 44 in einer bestimmten Lage gehalten wird. Damit wird der
bei Stößen in Sammelrohraxialrichtung gegenüber Deformationen anfällige Teil des
Wärmetauschers 1, d. h. die Summe aller Profilrohre 21, Zwischenrohrplatten 38 und
Endplatten 39 festgehalten.
[0023] Die Zwischenplatten 37 und Endplatten 38 sind, wie in Fig. 3 gezeigt, in Profilrohrachsrichtung
zwei geteilt, um die unterschiedliche Wärmedehnung der Ober- und Unterseite des Wärmetauschers
1 und damit der Zwischen- und Endplatten 37,38 aufgrund des Temperaturgefälles in
Anströmrichtung 36 auszugleichen. Die Berandungsbleche 40 sind ebenfalls zweiteilig
ausgefuhrt, da diese mit den Zwischen- und Endplatten 37,38 verschraubt sind. Die
beiden Teile der Berandungsbleche 40 sind durch Lenker 45 verbunden, um sicherzustellen,
daß der Spalt zwischen den beiden Teilen mit Rücksicht auf die erforderliche Dichtung
unter allen thermischen Bedingungen gleich bleibt.
[0024] Im Inneren der Sammelrohre 2,3 liegen die konzentrisch angeordneten Zugrohre 15,16.
Diese weisen über dem Umfang verteilte Durchbrüche 18 auf.
[0025] Am heißgaseintrittsseitigen Sammelrohr 3 ist ein Abschirmblech 19 angebracht, das
dafür sorgt, daß der heiße Gasstrom das Sammelrohr 3 sowie die Verbindungen zwischen
Sammelrohr 3 und Profilrohren 21 auf der Gaseintrittsseite nicht direkt beaufschlagt.
Hierdurch werden die Temperaturgradienten am Umfang des Sammelrohres 3 erheblich reduziert.
Die Sammelrohrendabschnitte 11,12 dienen ferner der Zentrierung der Sammelrohre 2,3
und sind so ausgebildet, daß sich der Wärmetauscher 1 in Sammelrohraxialrichtung frei
dehnen kann.
[0026] In Fig. 4a und 4b ist die Befestigung des Zugrohres 15 an den Endabschnitten 11
bzw. 12 vergrößert dargestellt. Das Zugrohr 15 ist dabei mittels Schrauben 23, 24
an den Endabschnitten 11, 12 angeschraubt, wobei zur Aufbringung der Zugbelastung
auf das Zugrohr 15 ein Spalt 23 zwischen Zugrohr 15 und Endabschnitt 11 vorgesehen
ist. Dieser Spalt 23 kann vorteilhafterweise fast oder ganz durch Anziehen der Schraube
22 beseitigt werden, wodurch sich eine definierte Vorspannung des Zugrohres 15 einstellen
läßt.
1. Wärmetauscher mit zwei parallel angeordneten Sammelrohren, die über eine Vielzahl
von U-förmig angeordneten Profilrohren miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sammelrohre (2,3) aus einer Anzahl Sammelrohrabschnitte (5,6) bestehen, die
axial hintereinander dichtend und lösbar angeordnet sind und durch je ein an den Sammelrohrabschnitten
(11,12) abgestütztes und konzentrisch innerhalb der Sammelrohre (2,3) beabstandet
angeordnetes Zugrohr (15,16) zusammengehalten werden.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugrohre (16,15)
mit einer Vielzahl von über der Oberfläche verteilten Durchbrüche (18) versehen sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zugrohr
(15,16) an den Stoßstellen (4) zweier axial hintereinander liegender Sammelrohrabschnitte
(5,6) in Paßverbindung mit dem Sammelrohr (2,3) steht.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen
Sammelrohrabschnitten (5,6) Zwischenplatten (37) vorgesehen sind.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugrohre (16,
15) einen geringeren Wärmedehnungskoeffizienten haben als die Sammelrohre (2, 3).