[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem ersten Behälterbereich für ein
zu kühlendes oder zu erwärmendes insbesondere chemisch aggressives Medium, wobei in
diesem ersten Behälterbereich eine Anzahl rohrförmiger aus einem emaillierten Metall
bestehender Leitungen verlaufen, deren innere Hohlräume einen zweiten Behälterbereich
für ein zweites kühlendes und/oder erhitzendes Medium bilden und welche Leitungen
durch Öffnungen eines Rohrbodens aus dem ersten Behälterbereich heraus und in einen
oder mehrere Kammern mit dem zweiten, kühlenden oder erhitzenden Medium führen. Die
Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers.
[0002] Wärmetauscher werden für eine Vielzahl von Anwendungsfällen benötigt; dabei stellen
Wärmetauscher für chemisch aggressive Medien, z. B. Säuren oder auch Gase, einen besonders
anspruchsvollen Sonderfall dar. Es geht darum, daß ein solches Medium beispielsweise
während seiner Reaktion oder Lagerung gekühlt oder aber auch erhitzt werden soll,
und zwar möglichst effektiv und schnell. Hierfür bieten sich Wärmetauscher an sich
natürlich an. Das üblicherweise kühlende und Reaktionswärme abführende (oder in bestimmten
Anwendungsfällen auch erhitzende) Medium, insbesondere Wasser, wird dabei durch Leitungen
geführt, welche außen von dem aggressiven chemischen Medium umgeben sind. Durch die
Leitungswand hindurch findet der Wärmeaustausch statt. Diese Leitungen müssen aus
einem hochresistenten Werkstoff bestehen oder auf andere Weise gegen das chemisch
aggressive Medium geschützt sein. Ein Kontakt der Medien untereinander muß ebenso
vermieden werden wie ein Herausdiffundieren des chemisch aggressiven Mediums aus dem
Wärmetauscher an unbeabsichtigten Stellen. Dabei ist eine besondere Problemzone der
Austritt der Leitungen aus dem Volumenbereich, also dem oben angegebenen ersten Behälterbereich,
in dem sich das chemisch aggressive Medium befindet.
[0003] Bei bekannten Wärmetauschem zu diesem Zweck bestehen beispielsweise sowohl die Leitungen
als auch der entsprechende Rohrboden, durch die die Leitung herausgeführt wird, aus
Tantal. Dies ist natürlich insbesondere kostenmäßig sehr aufwendig.
[0004] Alternativ werden emaillierte Stahlrohre verwendet, die durch einen Rohrboden geführt
werden, wobei die Durchführungen mit entsprechenden Dichtungen, beispielsweise Dichtungsringen,
abgesichert werden. Dies ist einerseits aufwendig und andererseits auch ein nur unvollständiger
Schutz, denn diese Dichtungen sind ihrerseits anfällig und müssen aus einem anderen
Material als Stahl gefertigt werden, meist aus Kunststoff.
[0005] Es wäre höchst gefährlich, wenn die chemisch aggressiven Medien durch diese Durchführungen
in irgendeiner Form hindurchdiffundieren könnten, da sie dann in das andere kühlende
oder erhitzende Medium hineingelangen könnten, somit auf die ungeschützten Innenseiten
der Leitungen gelangen würden und dort erhebliche Schäden anrichten könnten. Außerdem
kann auch schon innerhalb des Bereiches der Durchführungen oder in den danach anschließenden
Bereichen der Kammer Korrosion eintreten. Dies führt jeweils zu deutlich verkürzten
Standzeiten des Wärmetauschers.
[0006] Es ist nicht möglich, wie in anderen Gebieten der Technik vielleicht naheliegend,
die Stahlrohre in dem Durchführungsbereich mit dem Rohrhoden zu verschweißen. Diese
Schweißnähte wären nämlich ihrerseits dem aggressiven Medium ausgesetzt und könnten
in diesem Bereich nicht erneut emailliert oder anderweitig geschützt werden, da hierfür
die geometrische Zugänglichkeit fehlt.
[0007] Eine Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Wärmetauscher mit einer verbesserten
Konzeption vorzuschlagen. Eine weitere besteht darin, ein Verfahren zu seiner Herstellung
vorzuschlagen.
[0008] Diese erstgenannte Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher dadurch gelöst,
daß die emaillierte Außenfläche der Leitungen und die Innenflächen der Öffnungen dichtungsfrei
und leckfrei im Preßsitz aufeinanderliegen.
[0009] Bei einem Verfahren zu seiner Herstellung werden
- Leitungen hergestellt, indem kurze, gerade Abschnitte vorbereitet und emailliert werden,
diese kurzen, geraden Abschnitte werden über ein oder mehrere Verbindungsabschnitte
verbunden und verschweißt und die Verbindungsstellen lokal nachemailliert,
- oder Leitungen hergestellt werden, indem komplette emaillierte U-Rohre an den geraden
Enden bearbeitet und durch Preßsitz mit den Öffnungen verbunden werden,
- die Leitungen oder zumindest ihre kurzen geraden Abschnitte kryogen unterkühlt und
mit ihren kurzen, geraden Abschnitten in die Öffnungen in der Behälterwandung eingesetzt,
- anschließend durch Erwärmung eine Ausdehnung und dadurch ein Preßsitz der kurzen geraden
Abschnitte in den Öffnungen entstehen.
[0010] Mit einer derartigen Konstruktion oder solchen Verfahren wird das Problem überraschend
gelöst: Eine Durchführung, bei der die emaillierten Beschichtungen direkt aufeinandersitzen,
lecksicher sind und im Preßsitz aufeinandergefügt sind und die außerdem dichtungsfreie
Öffnung erfüllt alle Forderungen. Es gibt keine Bestandteile mehr, die dem korrosiven
Medium ausgesetzt sind und dieses kann auch nicht hindurchdringen.
[0011] Eine solche Konzeption wäre bisher von allen Fachleuten für unmöglich gehalten worden;
sie haben es auch nie in Betracht gezogen. Dies liegt insbesondere an den komplizierten
Formen der Leitungsführungen in diesen Wärmetauschern, die gebogen sind und nicht
separat emailliert werden können und auch praktisch aufgrund der geometrischen Gegebenheiten
keine Möglichkeit geben, im Preßsitz überhaupt eingefügt zu werden. Außerdem besteht
für die Fachwelt das Problem, daß Email mechanisch nicht mit so großer Fertigungsgenauigkeit
bearbeitet werden kann, daß eine flüssigkeits- und gasdichte Verbindung entsteht.
[0012] Im Gegensatz zum Vorurteil der Fachwelt ist dies jedoch erfindungsgemäß möglich.
[0013] Dazu wird bevorzugt eine Erzeugung des Preßsitzes durch kryogene Schrumpfung eingesetzt.
Dies hat den besonderen Vorzug, daß eine präzise Fügung der Teile möglich ist. Wie
sich gezeigt hat, ist es mit einer solchen Konzeption ohne weiteres möglich, den standardisierten
Heliumlecktest zu bestehen.
[0014] Besonders bevorzugt ist es, wenn außerdem auch der Rohrboden aus emailliertem Metall
besteht, dies gilt insbesondere für die Innenflächen der Öffnungen, durch die die
Leitungen hindurchführen.
[0015] Weiter ist es von besonderem Vorteil, wenn eine Emailleschicht von nur 500 bis 600
µm Dicke verwendet wird, die lediglich im Bereich der Durchführung, also im Bereich
des Preßsitzes, etwas dicker ausgebildet ist. Durch eine sehr dünne Emailleschicht
kann der Wärmedurchgangskoeffizient k (W/m
2K) an den Leitungsrohren reduziert werden, was die Funktionstüchtigkeit eines Wärmetauschers
naturgemäß sehr fördert.
[0016] Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn die Leitungen jeweils aus einem Rohrabschnitt
bestehen, der den Bereich innerhalb und benachbart zur Durchführung durch die Öffnung
bildet sowie auch durch weitere, davon separat gefertigte Rohrabschnitte. Dadurch
kann es ermöglicht werden, den einen relativ kurzen Rohrabschnitt für die eigentliche
Durchführung hochpräzise und mit äußerster Präzision auch hinsichtlich zu vermeidender
Winkelabweichungen zu fertigen, was für einen genauen Preßsitz von großem Vorteil
ist.
[0017] Dabei ist insbesondere auch zu berücksichtigen, daß Leitungen in Wärmetauschern des
hier bevorzugten interessierenden Typs zwei gerade, parallele Abschnitte aufweisen,
die durch zwei Öffnungen in einem gemeinsamen Rohrboden hindurchführen sollen und
die im Behälterinneren in dem Bereich genau entgegengesetzt zum Rohrboden mit den
Öffnungen mittels eines um 180° gebogenen Abschnittes verbunden sind. Es ist für die
Durchführung durch den Rohrboden daher erforderlich, dieses Gesamtelement der Leitung
genau parallel so durch den Boden hindurchzuführen, daß beide Leitungsaußenseiten
in den Öffnungen im Preßsitz bei der kryogenen Schrumpfung genauestens parallel verlaufen,
da schon kleine Verkantungen zu Problemen führen könnten.
[0018] An die kurzen geraden Abschnitte kann dann erfindungsgemäß der restliche längere
Teil der Leitung angeschweißt und die Verbindungsbereiche jeweils lokal erneut emailliert
werden. Diese längeren Teile sind weniger kritisch und müssen nur mit normaler Genauigkeit
gefertigt werden.
[0019] Auch wird es möglich, die Fertigung der Wärmetauscher zu standardisieren. Für jeden
Wärmetauscher werden nämlich Leitungen verschiedener Länge eingesetzt, die geometrisch
jeweils einander nicht störend übereinander verlaufen; die gebogenen Verbindungsabschnitte
haben dabei verschiedene Längen, die längeren, geraden Abschnitte können in Endlosverfahren,
wie beispielsweise in der DE 195 03 999 A1 beschrieben, angefertigt und in den benötigten
Längen abgeschnitten und zusammengesetzt werden.
[0020] Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen
beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1
- einen Schnitt durch einen Wärmetauscher senkrecht zu einer Wandung, durch die die
Leitungen hindurchführen;
- Figur 2
- eine Ansicht, teilweise weggebrochen, von der Kammer auf den Rohrboden und
- Figur 3
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Leitung.
[0021] Ein in
Figur 1 schematisch dargestellter Wärmetauscher weist einen zylinderförmigen Behälter 5 mit
einer äußeren Wandung 7 und einem inneren ersten Behälterbereich 10 auf. In dem Behälterbereich
10 befindet sich ein aggressives Medium, das dort reagiert oder gelagert wird und
definiert gekühlt oder gegebenenfalls auch erhitzt werden soll. Das Medium kann ein
Gas oder eine Flüssigkeit sein; die eigentliche Reaktion kann auch außerhalb des Behälters
stattfinden, so daß das Medium nur zum Zwecke des Wärmetausches in den Behälter 5
geführt wird. Das aggressive Medium wird durch einen Stutzen 8 in den Behälterbereich
10 hinein - und durch einen zweiten Stutzen 9 wieder herausgeführt.
[0022] Neben den Stutzen 8 und 9 ist insbesondere auf einem Rohrboden 14 hinzuweisen. Dieset
schließt eine Seitenfläche des langgestreckten zylindrischen ersten Behälterbereichs
10 ab und ist mit den übrigen Behälterwandungen lösbar verbunden. Diese Verbindung
ist allerdings hochdicht und geschlossen.
[0023] Durch den Boden 14 verläuft eine Vielzahl von Öffnungen 15. Der Boden 14 besteht
aus einem emaillierten Metall, unter Umständen auch aus einem relativ korrosionsfesten
Material wie Hastelloy.
[0024] Im Inneren des Behälterbereichs 10 befindet sich eine Vielzahl von rohrförmigen Leitungen
20. Diese Leitungen 20 erstrecken sich durch den Rohrboden 14 bzw. die darin befindlichen
Öffnungen 15 und führen zu einer Kammer 25 bzw. 26. Diese Verbindung bildet den zweiten
Behälterbereich für ein zweites Medium, das im Regelfall nicht aggressiv ist und häufig
Wasser ist oder zu einem hohen Prozentsatz aus Wasser besteht. Dieses zweite Medium
dient der Abfuhr oder Zufuhr von Wärme. Zwischen den beiden Behälterhereichen besteht
also möglichst intensiver Wärmeaustausch, aber kein physischer Kontakt oder gar Austausch.
[0025] Das zweite Medium wird über eine Zufuhr 27 der Kammer 25 zugeführt. Von der Kammer
25 aus strömt es in die Leitungen 20 und durch die Öffnungen 15 im Rohrboden 14. Durch
die Leitungen 20 gelangt es über den langen geraden Abschnitt (in der Figur 1 aufwärts
dargestellt) oben in den Bogen und wiederum in einem weiteren langen geraden Abschnitt
nach unten, erneut durch Öffnungen 15 im Rohrboden 14 zurück in die zweite Kammer
26. Aus der Kammer 26 strömt das zweite Medium dann über einen Auslauf 28 hinaus.
[0026] Die Kammern 25 und 26 sind dabei durch eine Trennwand 29 getrennt; insgesamt stellen
diese beiden Bereiche gemeinsam ein 2-Kammersystem dar. Der Inhalt der beiden Bereiche
25 bzw. 26 der Kammern unterscheidet sich durch die ihm innewohnende Temperatur. Da
es sich um einen Wärmetauscher insgesamt handelt, wird ja von dem zweiten Medium während
des Durchströmens durch die Leitung 20 Temperatur vom ersten Medium im Behälter 5
aufgenommen (bzw. abgegeben), so daß es in der Kammer 26 mit einer höheren (bzw. tieferen)
Temperatur ankommt, als es sie in dem Ausgangsbereich der Kammer 25 noch besessen
hatte.
[0027] Das zweite Medium kann üblicherweise ständig wieder verwendet werden, nachdem es
abgekühlt bzw. erneut auf entsprechende gewünschte Temperaturen gebracht ist. Da es
sich im Regelfall um gewöhnliches Wasser oder eine jedenfalls stark wasserhaltige
Substanz handelt, ist die Beschäftigung mit diesem Medium verhältnismäßig unkritisch.
[0028] Figur 2 zeigt eine Ansicht gesehen von der Kammer 25, 26 aus in Richtung auf die Behälterwandung
14. Gut im Schnitt zu erkennen sind daher die Zufuhr 27 zur Kammer 25 und der Ablauf
28 aus der Kammer 26 sowie geschnitten die Trennwand 29 zwischen den beiden Bereichen
der Kammer. In dem in Figur 2 rechts befindlichen, teilweise weggebrochenen Abschnitt
sind die Öffnungen 15 gut zu erkennen, durch die die Leitungen 20 hindurchführen.
Von den Leitungen 20 ist im Grunde nur der Innenbereich der Krümmung am oberen Ende
aus Figur 1 zu erkennen.
[0029] Dargestellt sind auch die Stutzen 8 und 9, die den ersten Behälterbereich 10 mit
dem ersten Medium versorgen bzw. dieses daraus abführen.
[0030] Die Leitungen 20 sind - wie die Figuren 1 und 2 in Zusammenschau ergeben - jeweils
bogenförmig übereinander angeordnet, damit der erste Behälterbereich 10 von einer
möglichst großen Zahl derartiger Leitungen 20 durchzogen werden kann und die Funktion
des Wärmetauschers besonders effektiv und mit vielen Wandkontaktbereichen vollzogen
werden kann und somit bei minimalem Masseneinsatz eine große Wärmeaustauschfläche
erreicht wird, was einen hohen Wirkungsgrad zur Folge hat.
[0031] In
Figur 3 ist eine der Leitungen 20 im einzelnen dargestellt. Zu erkennen ist zunächst unten
wiederum der Rohrboden 14, durch den die Leitung 20 insgesamt an zwei Punkten hindurchtritt,
nämlich durch die Öffnungen 15.
[0032] Die Leitung selbst besteht hier in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus fünf
Abschnitten, was die Herstellung besonders zweckmäßig gestaltet. So sind zunächst
zwei kurze, gerade Abschnitte 31 und 32 vorgesehen, die genau durch die Öffnungen
15 in dem Rohrboden 14 hindurchgehen und präzise parallel zueinander stehen. An diese
kurzen, geraden Abschnitte 31, 32 schließen sich jeweils ein langer, gerader Abschnitt
33 bzw. 34 an. Diese langen, geraden Abschnitte stehen im wesentlichen auch parallel
zueinander, wobei diese Parallelität weniger kritisch ist. Diese langen Abschnitte
können mit einem geeigneten Verfahren, insbesondere mit einem Endlosverfahren gemäß
der DE 195 03 999 A1 hergestellt und emailliert sein. Die oberen Enden der langen,
geraden Abschnitte 33, 34 sind miteinander durch einen verbindenden Bogenabschnitt
35 verbunden.
[0033] Bei der Herstellung der Leitung 20 insgesamt können zunächst die beiden langen, geraden
Abschnitte 33, 34 hergestellt und emailliert und dann mit dem Bogenabschnitt 35 über
zwei Schweißnähte 38 verbunden werden. Es entsteht dadurch schon der größte Teil der
gesamten Leitung 20. Jetzt wird in einer präzisen Ausrichtmaschine dafür gesorgt,
daß an die dann freien beiden Enden der langen, geraden Abschnitte 33, 34 die beiden
kurzen, geraden, ebenfalls schon emaillierten Abschnitte 31 und 32 so angeschweißt
werden, daß diese zueinander exakt parallel sind und je einen exakten Abstand zueinander
aufweisen. Es entstehen so wiederum zwei Schweißnähte 38.
[0034] In einer anderen Alternative wird die Leitung 20 aus einem komplett emaillierten
U-Rohr hergestellt. Bei Einsatz kompletter U-Rrohre entfallen die Schweißnähte gänzlich.
[0035] An diesen Verbindungsstellen der jeweiligen geraden Abschnitte 31 und 33 bzw. 32
und 34 kann also ein relativ geringfügiger Knick vorliegen, da die Fertigungstoleranzen
der langen Abschnitte relativ groß sein können und es nur auf die präzise Parallelität
der beiden kurzen Endstücke ankommt.
[0036] Jetzt in dieser Phase werden alle vier entstandenen Schweißnähte 38 zwischen den
fünf einzelnen Abschnitten der Leitung 20 nachemailliert. Nun wird die fertige Leitung
20 in die Öffnungen 15 des Rohrbodens 14 eingesetzt. Hierzu wird die Leitung kryogen
unterkühlt und paßt so problemlos in die vorbereiteten, ihrerseits beispielsweise
emaillierten Öffnungen 15 des Rohrbodens 14. Nach Erwärmung der Leitung 20 entsteht
ein exakter Paßsitz.
[0037] Bei Verwendung kompletter U-Rohre erfolgt die Bearbeitung der Enden direkt.
[0038] Zum Verständnis der Problematik sei darauf hingewiesen, daß in Figur 3 ja nur eine
Leitung dargestellt ist. In der Praxis entstehen, wie in den Figuren 1 und 2 zu ersehen
ist, hier eine enorme Vielzahl von dicht benachbarten Öffnungen in den Rohrboden 14,
in die jeweils Leitungen sich gegenseitig abdeckend eingesetzt werden müssen. Eine
Emaillierung an genau dieser Stelle während oder nach dem Einsetzen der Leitungen
20 ist nicht möglich.
1. Wärmetauscher mit einem ersten Behälterbereich (10) für ein zu kühlendes oder zu erwärmendes
insbesondere chemisch aggressives Medium, wobei in diesem ersten Behälterbereich (10)
eine Anzahl rohrförmiger aus einem emaillierten Metall bestehender Leitungen (20)
verlaufen, deren innere Hohlräume einen zweiten Behälterbereich für ein zweites, kühlendes
und/oder erhitzendes Medium bilden und welche Leitungen (20) durch Öffnungen (15)
in einem Rohrboden (14) aus dem ersten Behälterbereich (10) heraus und in eine oder
mehrere Kammern (25, 26) mit dem zweiten, kühlenden oder erhitzenden Medium führen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die emaillierten Außenflächen der Leitungen (20) und die Innenflächen der Öffnungen
(15) dichtungsfrei und leckfrei im Preßsitz aufeinanderliegen.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich um einen durch kryogene Schrumpfung erzeugten Preßsitz handelt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Leitungen (20) durch eine der Öffnungen (15) in den ersten Behälterbereich
(10) hinein und eine der anderen Öffnungen (15) in den gleichen Rohrboden (14) wieder
aus dem Behälterbereich (10) herausführt.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Leitungen (20) aus mindestens zwei parallelen, nicht gebogenen Rohrabschnitten
(31, 32, 33, 34) und einem dritten eine Biegung von 180° durchführenden und die nicht
gebogenen Rohrabschnitte verbindenden Bogenabschnitt (35) besteht.
5. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitungen (20) mindestens einen relativ kurzen, geraden Rohrabschnitt (31) im
Bereich der Durchführung durch die Öffnungen (15) des Rohrbodens (14) und einem an
diesen relativ kurzen Rohrabschnitt (31) anschließenden, mit diesem Rohrabschnitt
durch Schweißung verbundenen weiteren Rohrabschnitt (33) aufweist, wobei der Verbindungsbereich
anschließend lokal erneut emailliert ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitungen (20) jeweils zwei relativ kurze, gerade Rohrabschnitte (31, 32) im
Bereich der Durchführung durch zwei Öffnungen (15) des Rohrbodens (14) und jeweils
daran anschließende, mit den kurzen, geraden Rohrabschnitten (31,32) durch Schweißung
verbundene lange, gerade Rohrabschnitte (33,34) aufweist, sowie einen fünften, eine
Biegung von 180° durchführenden und die langen geraden Rohrabschnitte (33,34) verbindenden
Bogenabschnitt (35) aufweist, wobei die vier Verbindungsbereiche anschließend lokal
erneut emailliert werden.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Emailleschicht auf den Leitungen (20) nur eine Dicke von 500 bis 600 µm außerhalb
des Bereiches in oder benachbart zu den Öffnungen (15) besitzt.
8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß auch der Rohrboden (14) aus emaillierten Metall besteht, insbesondere in den Innenflächen
der Öffnungen (15).
9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem
Leitungen (20) hergestellt werden, indem kurze, gerade Abschnitte (31, 32) vorbereitet
und emailliert werden, diese kurzen, geraden Abschnitte (31, 32) über ein oder mehrere
Verbindungsabschnitte (33, 34, 35) verbunden und verschweißt und die Verbindungsstellen
lokal nachemailliert werden,
die Leitungen (20) oder zumindest ihre kurzen geraden Abschnitte (31, 32) kryogen
unterkühlt und mit ihren kurzen, geraden Abschnitten (31, 32) in die Öffnungen (15)
des Rohrbodens (14) eingesetzt werden,
anschließend durch Erwärmung eine Ausdehnung und dadurch ein Preßsitz der kurzen geraden
Abschnitte (31, 32) in den Öffnungen (15) entsteht.
10. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem
Leitungen (20) hergestellt werden, indem vollständig emaillierte U-Rohre verwendet
werden,
zumindest die Enden der aus den U-Rohren gebildeten Leitungen (20) kryogen unterkühlt
und in die Öffnungen (15) des Rohrbodens (14) eingesetzt werden,
anschließend durch Erwärmung eine Ausdehnung und dadurch ein Preßsitz der Enden in
den Öffnungen (15) entsteht.