ROHRBÜNDELWÄRMETAUSCHER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. US 2008/235950 A1 z.B. offenbart einen derartigen Rohrbündelwärmetauscher.

[0002] Rohrbündelwärmetauscher dienen dazu, Wärme von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid zu übertragen. Zu diesem Zweck weist ein Rohrbündelwärmetauscher zumeist einen Hohlzylinder auf, in dessen Innerem eine Vielzahl von Rohren angeordnet ist. Eines der beiden Fluide kann durch die Rohre geleitet werden, das andere Fluid durch den Hohlzylinder, insbesondere um die Rohre herum. Die Rohre sind mit ihren Enden an einem Rohrboden oder mehreren Rohrböden des Rohrbündelwärmetauschers entlang ihres Umfangs befestigt.

[0003] Im Zuge des Herstellungsprozesses eines Rohrbündelwärmetauschers werden die Rohre mit ihren Enden beispielsweise stoffschlüssig mit dem Rohrboden verbunden. Generell ist es wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden des Rohrbündelwärmetauschers auf aufwandsarme und kostengünstige Weise in hoher Qualität miteinander zu verbinden.

[0004] Aus der Druckschrift WO 2017/ 025 184 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Rohren eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden beschrieben. Die Rohre und der Rohrboden sind jeweils aus Aluminium oder einer AluminiumLegierung gefertigt und werden mittels Laserschweißens mit dem Rohrboden stoffschlüssig verbunden. Die Intensität des erzeugten Laserstrahls liegt dabei über 1 MW/cm2. Auch ist angedacht, dass die Rohre des Rohrbündelwärmetauschers mit dem Rohrboden vor dem Laserschweißen formschlüssig verbunden werden.

[0005] Der herzustellende Rohrbündelwärmetauscher weist in seinem gefertigten, betriebsbereiten Zustand eine Vielzahl von Rohren auf, die im Inneren eines Hohlzylinders angeordnet sind. Der Rohrboden kann als eine Platte ausgebildet sein und weist Bohrungen auf, welche in ihrem Durchmesser im Wesentlichen den Außendurchmessern der Rohre entsprechen. Jedes Rohr ist mit einem seiner Enden jeweils an einer dieser Bohrungen befestigt.

[0006] Die Rohre können innerhalb des Hohlzylinders als Geradrohr-Wärmetauscher geradlinig verlaufen. In diesem Fall sind zwei Rohrböden vorgesehen, welche an gegenüberliegenden Enden des Geradrohr-Wärmetauschers angeordnet sind. Jedes Rohr ist mit jeweils einem seiner Enden dabei an jeweils einem dieser zwei Rohrböden befestigt.

[0007] Die Rohre können innerhalb des Hohlzylinders auch als U-Rohr-Wärmetauscher U-förmig verlaufen. Ein derartiger U-Rohr-Wärmetauscher weist üblicherweise nur einen Rohrboden auf. Da die Rohre in diesem Fall U-förmig gebogen sind, können sie jeweils mit ihren beiden Enden an demselben Rohrboden befestigt werden.

[0008] Aus der DE 10 2006 031 606 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines Wärmetauschers zur Abgaskühlung bekannt, bei dem einer Vorschubbewegung des Laserstrahls zudem eine Pendelbewegung überlagert wird. Diese Pendelbewegung erfolgt im Wesentlichen in senkrechter Richtung zu der Vorschubrichtung. Die Pendelbewegung erfolgt aus Gründen der besseren Überbrückung von Spalten.

[0009] Des Weiteren ist aus der Druckschrift WO 2017/ 125 253 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Rohren eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden bekannt. Die Rohre werden mittels Laserschweißen mit dem Rohrboden stoffschlüssig verbunden. Zur Verbindung wird ein Laserstrahl erzeugt und auf eine zu schweißende Stelle in einem Verbindungsbereich zwischen Rohr und Rohrboden fokussiert. Hierbei wird der Laserstrahl derart bewegt, dass er eine erste Bewegung über den Verbindungsbereich hinweg und eine der ersten Bewegung überlagerte zweite Bewegung vollzieht, die unterschiedlich zu der ersten Bewegung ist. Durch die zweite Bewegung wird gezielt die Schmelzbaddynamik beeinflusst und eine entstehende Dampfkapillare vorteilhaft modifiziert.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden zuverlässig und in aufwandsarmer Weise in hoher Qualität zu verbinden.

[0011] Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

[0012] Die Erfindung schließt einen Rohrbündelwärmetauscher mit einem umhüllenden Außenmantel sowie zumindest einem Rohrboden ein, die zusammen einen Innenraum des Rohrbündelwärmetauschers definieren. Der Rohrbündelwärmetauscher umfasst ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren, die im Innenraum angeordnet von einem ersten Fluid durchströmbar sind und wahlweise durch zusätzliche Stützbleche gestützt werden. Die Wärmeaustauscherrohre weisen auf der Rohraußenseite ausgeformte schraubenlinienförmig umlaufende integrale Rippen mit Rippenfuß, Rippenflanken und Rippenspitze auf und zwischen den Rippen ist ein Kanal mit einem Kanalgrund ausgebildet. Der Rohrbündelwärmetauscher umfasst zumindest einen Einlass am Außenmantel, über den ein zweites Fluid in den Innenraum eingeleitet werden kann, und zumindest einen Auslass, über den das zweite Fluid aus dem Innenraum abgeleitet werden kann. Der Rohrbündelwärmetauscher umfasst wahlweise mindestens einen an dem mindestens einen Rohrboden angeordneten Anschlusskasten zur Verteilung, Umlenkung oder Sammlung des ersten Fluids. Der mindestens eine Rohrboden weist Ausnehmungen als Durchtrittstellen auf, wobei jede Ausnehmung eine innere Oberfläche besitzt. Die Wärmeaustauscherrohre ragen mit ihrer Außenberippung in die Ausnehmungen des Rohrbodens zumindest hinein, wodurch ein Fügespalt jeweils zwischen der inneren Oberfläche einer Ausnehmung und der innerhalb der Ausnehmung befindlichen Außenberippung eines Wärmeaustauscherrohrs ausgebildet ist. Die Wärmeaustauscherrohre weisen mittels Fügematerial und unter Einbeziehung der Außenberippung eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Rohrboden auf, welche lediglich in einem sich von der Stirnseite eines Wärmeaustauscherrohrs in axialer Richtung erstreckenden, ersten Teilabschnitt der Ausnehmung ausgebildet ist, indem in diesem ersten Teilabschnitt der Fügespalt mit Fügematerial ausgefüllt ist, so dass ein zweiter Teilabschnitt der Ausnehmung verbleibt, in dem der Fügespalt nicht mit Fügematerial ausgefüllt ist, wobei das Wärmeaustauscherrohr im Bereich des zweiten Teilabschnitts auf der Rohraußenseite weiterhin eine Außenberippung aufweist.

[0013] Mit anderen Worten: Die Wärmeaustauscherrohre weisen innerhalb der Durchtrittsstellen, an denen sie in einen Rohrboden ein oder durch einen Rohrboden hindurchtreten eine Außenberippung auf. Diese Außenberippung wird durch das Material für eine stoffschlüssige Verbindung umschlossen und so ein Durchtritt von Gas oder Flüssigkeit hermetisch abgedichtet. Zum reinen Stoffschluss können auch Kombination zusammen mit Kraftschluss und Formschluss in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.

[0014] Das Fügematerial dringt in axialer Richtung nur zu einem gewissen Grad in einem ersten Teilabschnitt von der Stirnseite her in den Fügespalt ein, da die Außenrippen einem freien Durchtritt, wie beispielsweise bei einem Glattrohr gegeben, entgegenstehen. Die Außenrippen bilden folglich Barrieren, die umströmt oder aufgeschmolzen werden müssen. Das Umströmen ist insbesondere bei den Fügeverfahren Löten und Kleben von besonderer Bedeutung. Beim Schweißen wird stirnseitig die Außenberippung des Wärmeaustauscherrohrs zum Teil mit aufgeschmolzen. Der Schmelzefluss wird dann bevorzugt an einer der Außenrippen gestoppt, sobald die Temperatur der Schmelze nicht mehr ausreicht, eine weiter innen liegende Rippe aufzuschmelzen. Diese Barriere stoppt das weitere Eindringen der Schmelze im Fügespalt. Auf diese Weise ist ein definierter Fließvorgang des Fügematerials beim Fügevorgang gegeben, der die Fügestelle bereits an oder in der Nähe der Rohrstirnseite vollständig verschließt.

[0015] Zur Außenberippung kann ein Wärmeaustauscherrohr zudem wahlweise eine Innenstruktur aufweisen. Die Innenstruktur kann in Gestalt einer innen umlaufenden Helix mit einem vorgegebenen Drallwinkel ausgeführt sein. Für den Fall, dass die Außenseite der Wärmeaustauscherrohre eine spiralig umlaufende Außenberippung aufweist, kann die Steigung der umlaufenden Außenberippung gleich, geringer oder größer als die durch den Drallwinkel vorgegebene Steigung der umlaufenden Helix ausgebildet sein. Beide Strukturen können sich folglich dahingehend unterscheiden, dass zur stoffschlüssigen Verbindung der Außenseite eines Wärmeaustauscherrohrs mit der Behälterwandung die Gestaltung der Außenberippung und der Innenstruktur unabhängig voneinander gestaltet und so optimiert werden können.

[0016] Zur Optimierung des Wärmeaustauschs sind beiden Strukturen jedoch gewisse Grenzen vorgegeben. So liegt das Verhältnis der maximalen Strukturhöhe der Außenberippung und der maximalen Strukturhöhe der Innenstruktur für Verflüssigerrohre bevorzugt im Bereich von 1,25 bis 5 und für Verdampferrohre bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 2.

[0017] Vor allem Investitionskosten sollen gespart werden, da die erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher wesentlich kompakter gebaut werden können. Hierbei setzt sich die Außenberippung bis in den Rohrboden hinein fort, wodurch die Anzahl der Wärmeaustauscherrohre pro Einheit deutlich reduziert werden kann. Je nach Anforderung ermöglichen die Rippenrohre einen effizienteren Energieeinsatz oder die Reduzierung von Füllmengen, was die Betriebskosten senkt.

[0018] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine stoffschlüssige Verbindung der Wärmeaustauscherrohre mit den Rohrböden besonders zuverlässig und aufwandsarm in hoher Qualität erzielt wird. Erfindungsgemäß tritt ein Wärmeaustauscherrohr mit seiner außenseitigen Außenberippung in den Rohrboden ein oder durch den Rohrboden hindurch. An die stoffschlüssige Verbindung der Rohre mit dem Rohrboden verbleibt dann unmittelbar angrenzend die Außenberippung erhalten. Dies hat den besonderen Vorteil, dass im Inneren des Rohrbündelwärmetauschers die Wärmeaustauscherrohre für eine effiziente Wärmeübertragung eine durchgängige Außenberippung aufweisen.

[0019] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der mit Fügematerial ausgefüllte erste Teilabschnitt in axialer Richtung weniger als 70 % der Länge des gesamten Fügespalts betragen. Vorteilhafterweise umfasst der ausgefüllte erste Teilabschnitt des Fügespalts lediglich weniger als 50 % der Gesamtlänge. Insbesondere bei Schweißverbindungen können bereits auch 20 % Füllgrad des ersten Teilabschnitts genügen, um eine fluiddichte stoffschlüssige Verbindung herzustellen.

[0020] Vorteilhafterweise kann die lichte Weite zwischen den Rippenspitzen eines Wärmeaustauscherrohrs und der inneren Oberfläche der Ausnehmung maximal 30 % der vom Kanalgrund bis zur Rippenspitze gemessenen Rippenhöhe betragen. Über diese lichte Weite wird die Barrierewirkung der Außenrippen variiert. Insbesondere bei den Fügeverfahren Löten und Kleben kann das Fügematerial über diese lichte Weite des Fügespalts zur Ausbildung des gefüllten ersten Teilabschnitts gezielt eingebracht werden. Ein weiterer Fließkanal für das Fügematerial stellt zudem der durch die ausgeformten schraubenlinienförmig umlaufenden integralen Rippen gebildete Kanal dar. Der Kanalquerschnitt ist allerdings durch die Rippenhöhe und des Abstandes benachbarter Rippen vorgegeben und üblicherweise gegenüber der gewählten lichten Weite geringer ausgeprägt.

[0021] Vorteilhafterweise kann die stoffschlüssige Verbindung gasdicht und druckbeständig ausgeführt sein. Über die Funktionen hinsichtlich mechanischer Stabilität verbunden mit einer effizienten Wärmeübertragung hinaus ist eine hermetische Abdichtung zur Verhinderung eines Fluidaustausches mit der Umgebung in jedem Betriebsmodus wichtig.

[0022] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Wärmeaustauscherrohre in den Durchtrittsstellen einen Rohrinnendurchmesser D2 auf, der größer ist als der Rohrinnendurchmesser D1 der Wärmeaustauscherrohre außerhalb der Durchtrittsstellen.

[0023] Wenn die Wärmeaustauscherrohre innerhalb der Durchtrittsstellen, an denen sie in den Rohrboden ein oder durch den Rohrboden hindurchtreten immer noch eine Außenberippung aufweisen, liegt verfahrensseitig eine Aufweitung des Wärmeaustauscherrohrs mit der Folge eines vergrößerten Durchtrittsinnendurchmessers D2 zugrunde. Durch eine Aufweitung wird dann innerhalb einer Durchtrittsstelle die Außenberippung gequetscht. Dennoch sorgt die stoffschlüssige Verbindung für eine stabile hermetische Abdichtung.

[0024] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Wärmeaustauscherrohre in den Rohrboden gelötet, geklebt oder geschweißt sein.

[0025] Zu den genannten bevorzugten Verbindungsarten können auch weitere hinzutreten, welche die Wärmeaustauscherrohre mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Rohrboden zuverlässig fügen.

[0026] Prinzipiell kann die Außenberippung auf der Außenseite der Wärmeaustauscherrohre bevorzugt in umfänglicher Richtung oder in axialer Richtung parallel zur Rohrachse verlaufen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Außenseite der Wärmeaustauscherrohre eine spiralig umlaufende Außenberippung aufweisen. Bei einer spiraligen Außenberippung muss lediglich ein Restspalt und der spiralig mit einer Außenberippung umlaufende Kanal durch die stoffschlüssige Verbindung zuverlässig abgedichtet werden.

[0027] Auch wenn regelmäßig für die Wärmeaustauscherrohre ein geeignetes einheitliches Material bevorzugt ist, kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein erstes Wärmeaustauscherrohr aus einem ersten Material bestehen und mindestens ein zweites Wärmeaustauscherrohr aus einem zweiten Material bestehen, welches sich vom ersten Material unterscheidet. Hinsichtlich der mechanischen Stabilität können Stahlrohre mit besonders hoher Festigkeit einen besonderen Vorteil bieten. Kupferrohre bewirken hingegen eine Optimierung hinsichtlich einer effizienten Wärmeübertragung. Auch andere Materialien, wie beispielsweise Titan, Aluminium, Aluminiumlegierungen sowie Kupfer-Nickel-Legierungen kommen in Betracht.

[0028] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

[0029] Darin zeigen:

Fig. 1

schematisch eine Seitenansicht eines Rohrbündelwärmetauschers mit Detailansicht eines Wärmeaustauscherrohrs mit Außenrippen,

Fig. 2

schematisch eine Frontansicht eines Ausschnitts eines Rohrbodens mit Du rchtrittsstelle,

Fig.3

schematisch einen senkrechten Schnitt des Rohrbodens in der Ebene der Durchtrittsstelle der Wärmeaustauscherrohre, und

Fig. 4

schematisch eine Detailansicht eines Schnittes einer stoffschlüssigen Verbindung des Rohrbodens mit einem Wärmeaustauscherrohr.

[0030] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0031] Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Rohrbündelwärmetauschers 1 mit einem umhüllenden Außenmantel 2 sowie zwei Rohrböden 3, die zusammen einen Innenraum 4 des Rohrbündelwärmetauschers 1 definieren. Der Rohrbündelwärmetauscher 1 umfasst ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren 5, die im Innenraum 4 angeordnet von einem ersten Fluid zur Wärmeübertragung durchströmbar sind und durch zusätzliche Stützbleche 6 gestützt werden. Derartige Stützbleche 6 werden oft auch zudem als Leitbleche für den Fluidfluss eingesetzt. Der Rohrbündelwärmetauscher 1 umfasst zudem Anschlusskästen 7, die das erste Fluid im Inneren der Wärmeaustauscherrohre je nach Anforderung verteilen, umlenken oder sammeln. Es ist zumindest ein Einlass 8 am Außenmantel 2 vorhanden, über den ein zweites Fluid zur Wärmeübertragung in den Innenraum eingeleitet werden kann, und zumindest ein Auslass 9 über den das zweite Fluid aus dem Innenraum abgeleitet werden kann. In der Detailansicht ist ein Wärmeaustauscherrohr 5 mit Außenrippen 51 herausvergrößert. Durch ein im Übrigen bekanntes Walzverfahren sind auf der Rohraußenseite ausgeformte schraubenlinienförmig um die Rohrachse A umlaufende integrale Rippen 51 ausgebildet.

[0032] Fig. 2 zeigt schematisch eine Frontansicht eines Ausschnitts eines Rohrbodens 3 mit Durchtrittsstellen 31. An einer Durchtrittsstelle 31 ist die Ausnehmung im Rohrboden 3 bevorzugt gerade so groß, dass ein Wärmeaustauscherrohr 5 mit seiner Außenberippung 51 eingebracht und dort stoffschlüssig verbunden werden kann. Schweiß-, Klebe- und Lötverbindungen als stoffschlüssige Verbindung 20 können an der Durchtrittsstelle 31, ausgehend von der Stirnseite, über einen ersten Teilabschnitt der Wandstärke eines Rohrbodens 3 erfolgen und eine fluiddichte Verbindung eingehen. In einem in die Tiefe reichenden zweiten Teilabschnitt verbleibt ein, in Figur 2 nicht sichtbar, nicht ausgefüllter Rest des Fügespalts in der Rohrbodenwandung 3 erhalten.

[0033] Fig. 3 zeigt schematisch einen senkrechten Schnitt des Rohrbodens 3 in der Ebene der Durchtrittsstelle 31 eines Wärmeaustauscherrohrs 5. Das dargestellte Wärmeaustauscherrohr 5 weist auf der Außenseite eine Außenberippung 51 auf. Das Wärmeaustauscherrohr 5 tritt an der Ausnehmung 31 als Durchtrittsstelle im dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Rohrboden 3 hindurch. An dieser Durchtrittsstelle 31 weist das Wärmeaustauscherrohr 5 eine durchgängige Außenberippung 51 auf. Eine in der Figur 3 noch nicht eingebrachte stoffschlüssige Verbindung 20, beispielsweise in Gestalt einer um den Rohrumfang durchgängigen Schweißnaht mit dem Rohrboden 3, befindet sich nach dem Fügevorgang in einem Teilabschnitt des Fügespalts 10. Je nach Materialkombination aus dem Rohrboden 3 und aus dem Wärmeaustauscherrohr 5 kann es an der Schweißstelle 20 zu vorteilhaften intermetallischen neuen Phasenbildungen im Schmelzebad kommen. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit einem örtlich begrenzten Schmelzefluss stellt insbesondere das Laserschweißen dar.

[0034] Fig. 4 zeigt schematisch eine Detailansicht eines Schnittes einer stoffschlüssigen Verbindung 20 des Rohrbodens 3 mit einem Wärmeaustauscherrohr 5. In der dargestellten Ausführung ist das Wärmeaustauscherrohr 5 in Richtung der Rohrachse A in die im Rohrboden 3 eingebrachte Ausnehmung 31 eingeschoben und schließt mit der Stirnseite 53 mit der äußeren Rohrbodenoberfläche ab.

[0035] Die Wärmeaustauscherrohre 5 weisen auf der Rohraußenseite ausgeformte schraubenlinienförmig umlaufende integrale Rippen 51 mit Rippenfuß 511, Rippenflanken 512 und Rippenspitze 513 auf. Zwischen benachbarten Rippen 51 ist ein Kanal 52 mit einem Kanalgrund 521 ausgebildet. In Figur 4 ist als stoffschlüssige Verbindung 20 eine Schweißnaht dargestellt, die sich beispielsweise beim Laserschweißen ausbildet. Gegebenenfalls werden materialseitig geeignete Schweißzusätze beim Fügen verwendet. Auf diese Weise kann auch der Materialfluss und die Menge genau auf die gewünschte Fügeverbindung abgestimmt werden. Bei der dargestellten stoffschlüssigen Verbindung wird verfahrensbedingt durch den Wärmeeintrag eines Lasers sowohl gewisse Bereiche des Rohrbodens 3 wie auch einige Außenrippen 51 am Wärmeaustauscherrohr 5 zumindest teilweise mit aufgeschmolzen und als Fügematerial 20 integriert. Beim Fügen tritt die Schmelze ausgehend von der Stirnseite 53 in den Fügespalt 10 ein, wird jedoch nach einer gewissen Eindringtiefe blockiert, so dass nur ein erster stirnseitiger Teilabschnitt 101 des Fügespalts 10 unter Einbeziehung der Außenberippung 51 ausgefüllt ist. Den weiteren Durchtritt der Schmelze verhindert eine Rippe 51, die aufgrund der abnehmenden Temperatur an der Schmelzefront nicht mehr aufgeschmolzen oder umströmt wird und so als Barriere fungiert. Auf diese Weise ist ein definierter Fließvorgang des Fügematerials 20 beim Fügevorgang gegeben, der die Fügestelle bereits an oder in der Nähe der Rohrstirnseite 53 vollständig verschließen kann.

[0036] Die Wärmeaustauscherrohre 5 weisen so eine stoffschlüssige Verbindung 20 mit dem Rohrboden 3 auf, welche lediglich in einem sich von der Stirnseite 53 eines Wärmeaustauscherrohrs 5 in axialer Richtung erstreckenden, ersten Teilabschnitt 101 der Ausnehmung 31 ausgebildet ist. Ein zweiter Teilabschnitt 102 der Ausnehmung 31 ist nicht mit Fügematerial ausgefüllt. Im zweiten Teilabschnitt 102 weist Wärmeaustauscherrohr 5 auf der Rohraußenseite weiterhin eine Außenberippung 51 auf.

Bezugszeichenliste

[0037] 

1

Rohrbündelwärmetauscher

2

Außenmantel

3

Rohrboden

31

Ausnehmung, Durchtrittstelle

311

innere Oberfläche der Ausnehmung

4

Innenraum

5

Wärmeaustauscherrohr

51

integrale Rippen, Außenrippen

511

Rippenfuß

512

Rippeflanke

513

Rippespitze

52

Kanal

521

Kanalgrund

53

Stirnseite

6

Stützblech

7

Anschlusskasten

8

Einlass

9

Auslass

10

Fügespalt

101

ersten Teilabschnitt

102

zweiter Teilabschnitt

20

stoffschlüssige Verbindung, Fügematerial

A

Rohrachse, axiale Richtung

D1, D2

Rohrinnendurchmesser

Pfeil

Fluidfluss

Ansprüche

1. Rohrbündelwärmetauscher (1) mit einem umhüllenden Außenmantel (2) sowie zumindest einem Rohrboden (3), die zusammen einen Innenraum (4) des Rohrbündelwärmetauschers (1) definieren,
umfassend

- ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren (5), die im Innenraum (4) angeordnet von einem ersten Fluid durchströmbar sind und wahlweise durch zusätzliche Stützbleche (6) gestützt werden, wobei die Wärmeaustauscherrohre (5) auf der Rohraußenseite ausgeformte, schraubenlinienförmig umlaufende integrale Rippen (51) mit Rippenfuß (511), Rippenflanken (512) und Rippenspitze (513) aufweisen und zwischen den Rippen (51) ein Kanal (52) mit einem Kanalgrund (521) ausgebildet ist,

- zumindest einen Einlass (8) am Außenmantel (2), über den ein zweites Fluid in den Innenraum (4) eingeleitet werden kann, und zumindest einen Auslass (9), über den das zweite Fluid aus dem Innenraum (4) abgeleitet werden kann,

- wahlweise mindestens einen an dem mindestens einen Rohrboden (3) angeordneten Anschlusskasten (7) zur Verteilung, Umlenkung oder Sammlung des ersten Fluids,

wobei der mindestens eine Rohrboden (3) Ausnehmungen (31) als Durchtrittstellen aufweist, wobei jede Ausnehmung (31) eine innere Oberfläche (311) besitzt,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Wärmeaustauscherrohre (5) mit ihrer Außenberippung (51) in die Ausnehmungen (31) des Rohrbodens (3) zumindest hineinragen, wodurch ein Fügespalt (10) jeweils zwischen der inneren Oberfläche (311) einer Ausnehmung (31) und der innerhalb der Ausnehmung (31) befindlichen Außenberippung (51) eines Wärmeaustauscherrohrs (5) ausgebildet ist,

- dass die Wärmeaustauscherrohre (5) mittels Fügematerial (20) und unter Einbeziehung der Außenberippung (51) eine stoffschlüssige Verbindung (20) mit dem Rohrboden (3) aufweisen, welche lediglich in einem sich von der Stirnseite (53) eines Wärmeaustauscherrohrs (5) in axialer Richtung (A) erstreckenden, ersten Teilabschnitt (101) der Ausnehmung (31) ausgebildet ist, indem in diesem ersten Teilabschnitt (101) der Fügespalt (10) mit Fügematerial (20) ausgefüllt ist, so dass ein zweiter Teilabschnitt (102) der Ausnehmung (31) verbleibt, in dem der Fügespalt (10) nicht mit Fügematerial ausgefüllt ist, wobei das Wärmeaustauscherrohr (5) im Bereich des zweiten Teilabschnitts (102) auf der Rohraußenseite weiterhin eine Außenberippung (51) aufweist.

2. Rohrbündelwärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Fügematerial (20) ausgefüllte erste Teilabschnitt (101) in axialer Richtung (A) weniger als 70 % der Länge des gesamten Fügespalts (10) beträgt.

3. Rohrbündelwärmetauscher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite zwischen den Rippenspitzen (513) eines Wärmeaustauscherrohrs (5) und der inneren Oberfläche (311) der Ausnehmung (31) maximal 30 % der vom Kanalgrund (521) bis zur Rippenspitze (513) gemessenen Rippenhöhe beträgt.

4. Rohrbündelwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (20) gasdicht und druckbeständig ausgeführt ist.

5. Rohrbündelwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (5) in den Ausnehmungen als Durchtrittsstellen (31) einen Rohrinnendurchmesser D2 aufweisen, der größer ist als der Rohrinnendurchmesser D1 der Wärmeaustauscherrohre (5) außerhalb der Durchtrittsstellen (31).

6. Rohrbündelwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (5) in den Rohrboden (3) gelötet, geklebt oder geschweißt sind.

Claims

1. Tube bundle heat exchanger (1) having a surrounding outer covering (2) and at least one tube base (3) which together define an inner space (4) of the tube bundle heat exchanger (1), comprising

- a tube bundle having a large number of heat exchange tubes (5) which in a state arranged in the inner space (4) can be flowed through by a first fluid and are optionally supported by additional metal support sheets (6),
wherein the heat exchange tubes (5) have integral ribs (51) which are formed on the outer side of the tube and which extend in a helical line and which have a rib base (511), rib flanks (512) and a rib tip (513) and between the ribs (51) a channel (52) having a channel base (521) is formed,

- on the outer covering (2) at least one inlet (8), via which a second fluid can be introduced into the inner space (4), and at least one outlet (9), via which the second fluid can be discharged from the inner space (4),

- optionally at least one connection box (7) which is arranged on the at least one tube base (3) for distributing, redirecting or collecting the first fluid,

wherein the at least one tube base (3) has recesses (31) as passage locations, wherein each recess (31) has an inner surface (311),

characterised in that

- the heat exchange tubes (5) at least protrude with the outer ribbing (51) thereof into the recesses (31) of the tube base (3), whereby a joint gap (10) is formed in each case between the inner surface (311) of a recess (31) and the outer ribbing (51), which is located inside the recess (31), of a heat exchange tube (5),

- in that the heat exchange tubes (5) by means of joining material (20) and incorporating the outer ribbing (51) have a materially engaging connection (20) to the tube base (3), which is formed only in a first part-portion (101), which extends from the front face (53) of a heat exchange tube (5) in an axial direction (A), of the recess (31) by the joint gap (10) being filled with joining material (20) in this first part-portion (101) so that a second part-portion (102), in which the joint gap (10) is not filled with joining material, of the recess (31) remains, wherein the heat exchange tube (5) in the region of the second part-portion (102) at the outer tube side further has an outer ribbing (51) .

2. Tube bundle heat exchanger (1) according to claim 1, characterised in that the first part-portion (101) which is filled with the joining material (20) in an axial direction (A) is less than 70% of the length of the entire joint gap (10) .

3. Tube bundle heat exchanger (1) according to claim 1 or 2, characterised in that the clear width between the rib tips (513) of a heat exchange tube (5) and the inner surface (311) of the recess (31) is a maximum of 30% of the rib height measured from the channel base (521) up to the rib tip (513).

4. Tube bundle heat exchanger (1) according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the materially engaging connection (20) is configured to be gas-tight and pressure-resistant.

5. Tube bundle heat exchanger (1) according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the heat exchange tubes (5) have in the recesses as passage locations (31) a tube inner diameter D2 which is greater than the tube inner diameter D1 of the heat exchange tubes (5) outside the passage locations (31).

6. Tube bundle heat exchanger (1) according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the heat exchange tubes (5) are soldered, adhesively bonded or welded in the tube base (3).

Revendications

1. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1) avec une enveloppe extérieure (2) enveloppante ainsi qu'au moins un fond tubulaire (3), qui définissent conjointement un espace intérieur (4) de l'échangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1),
comprenant

- un faisceau tubulaire avec une pluralité de tubes d'échangeur de chaleur (5), qui de manière disposée dans l'espace intérieur (4) peuvent être traversés par un premier fluide et sont supportés sélectivement par des tôles de support (6) supplémentaires,
dans lequel les tubes d'échangeur de chaleur (5) présentent des nervures (51) intégrées formées sur la face extérieure de tube, tournant de façon hélicoïdale avec une base de nervure (511), des flancs de nervure (512) et un sommet de nervure (513) et un canal (52) avec un fond de canal (521) est réalisé entre les nervures (51),

- au moins une entrée (8) sur l'enveloppe extérieure (2), par l'intermédiaire de laquelle un deuxième fluide peut être introduit dans l'espace intérieur (4), et au moins une sortie (9), par l'intermédiaire de laquelle le deuxième fluide peut être évacué de l'espace intérieur (4),

- sélectivement au moins un boîtier de raccordement (7) disposé sur le au moins un fond tubulaire (3) pour la distribution, déviation ou collecte du premier fluide,

dans lequel le au moins un fond tubulaire (3) présente des évidements (31) comme points de passage, dans lequel chaque évidement (31) possède une surface intérieure (311),

caractérisé en ce que

- les tubes d'échangeur de chaleur (5) font au moins saillie avec leur nervurage extérieur (51) dans les évidements (31) du fond tubulaire (3), moyennant quoi une fente d'assemblage (10) est réalisée respectivement entre la surface intérieure (311) d'un évidement (31) et le nervurage extérieur (51) d'un tube d'échangeur de chaleur (5) se trouvant à l'intérieur de l'évidement (31),

- les tubes d'échangeur de chaleur (5) présentent, au moyen d'un matériau d'assemblage (20) et y compris le nervurage extérieur (51), une liaison de matière (20) avec le fond tubulaire (3), laquelle est réalisée uniquement dans une première section partielle (101) de l'évidement (31) s'étendant à partir de la face frontale (53) d'un tube d'échangeur de chaleur (5) dans la direction axiale (A), du fait que dans cette première section partielle (101) la fente d'assemblage (10) est remplie de matériau d'assemblage (20), de sorte qu'il reste une deuxième section partielle (102) de l'évidement (31), dans laquelle la fente d'assemblage (10) n'est pas remplie de matériau d'assemblage, dans lequel le tube d'échangeur de chaleur (5) présente en outre dans la zone de la deuxième section partielle (102) sur la face extérieure de tube un nervurage extérieur (51).

2. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première section partielle (101) remplie de matériau d'assemblage (20) atteint dans la direction axiale (A) moins de 70 % de la longueur de toute la fente d'assemblage (10).

3. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'écartement intérieur entre les sommets de nervure (513) d'un tube d'échangeur de chaleur (5) et la surface intérieure (311) de l'évidement (31) atteint au maximum 30 % de la hauteur de nervure mesurée à partir du fond de canal (521) jusqu'au sommet de nervure (513).

4. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la liaison de matière (20) est conçue de manière étanche au gaz et résistante à la pression.

5. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes d'échangeur de chaleur (5) présentent dans les évidements comme points de passage (31) un diamètre intérieur de tube D2 qui est supérieur au diamètre intérieur de tube D1 des tubes d'échangeur de chaleur (5) à l'extérieur des points de passage (31).

6. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes d'échangeur de chaleur (5) sont brasés, collés ou soudés dans le fond tubulaire (3).

Zeichnung