DE1029841B - Roehrenwaermeaustauscher mit Rohren aus wenig zugfesten Werkstoffen, beispielsweise Graphit - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es werden in steigendem Maße Röhrenwärmeaustauscher mit Rohren aus Graphit verwendet. Diese Rohre haben gegenüber metallischen Rohren den Nachteil, daß sie spröde sind und eine relativ geringe Zugfestigkeit besitzen, während die Druckfestigkeit wesentlich größer ist. Diese Rohre aus Graphit und ähnlichen Werkstoffen haben ferner die unangenehme Eigenschaft, daß sie einen wesentlich niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen als die Metalle, aus denen normalerweise der Mantel des Wärmeaustauschers aufgebaut ist. Beispielsweise beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Graphit 4,2 · 1O-⁶/⁰ C, während der für Stahl 12 · 10-^e/°C ist. Um diese unterschiedliche Wärmedehnung zwischen Rohren und Mantel auszugleichen, wird bei einer Ausführungsform in den Mantel ein Federungskörper in Gestalt einer Dehnungswelle eingebaut, und die Graphitrohre sind in den Rohrböden aus Graphit fest eingekittet. Durch die Nachgiebigkeit des Federungskörpers wird die unterschiedliche Dehnung der Graphitrohre gegenüber dem stählernen Außenmantel aufgenommen. Andererseits übt die die Rohre umströmende Heizflüssigkeit, beispielsweise Dampf, auf die Rohrböden einen axialen Druck aus, der infolge der Nachgiebigkeit des in dem Mantel eingebauten Federungskörpers die Rohre auf Zug beansprucht. Durch den Einbau des Dehnungskörpers in der üblichen Weise wird außerdem die durch das Heizmedium beaufschlagte axiale Fläche noch stark vergrößert, so daß bei höheren Drücken des Heizdampfes axiale Kräfte auftreten, die für die wenig zugfesten Graphitrohre die zulässige Grenze überschreiten.

Die Erfindung gestattet, die Zugbeanspruchung der Rohre wesentlich herabzusetzen. Sie besteht darin, daß der Federungskörper in gedehntem Zustand eingebaut wird, so daß die Rohre eine Druckvorspannung bekommen.

An Hand der Abb. 1 wird die Erfindung an einer schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels erläutert. In dieser bedeutet 1 die Rohre des Wärmeaustauschers, die aus Graphit oder anderem nicht zugfestem Material bestehen, 2 den oberen Rohrboden, in den die Rohre fest eingekittet sind. Der Rohrboden 2 ist zwischen den Flanschen des Mantels 4 und des Deckels 5 fest eingespannt. Der untere Rohrboden ist zwischen dem Mantel 4 und dem Deckel 6 ebenfalls fest eingespannt, was in der Abbildung nicht näher dargestellt ist. Die Deckel 5 und 6 tragen die Ein- bzw. Austrittsstutzen 7 und 8 für das die Rohre durchströmende Wärmeaustauschmedium. Das Heizmedium, in der Regel Dampf, tritt durch den Stutzen 9 in den Mantel des Wärmeaustauschers ein, umströmt die Rohre und tritt bei 10 aus. 11 ist der einwellige Federungskörper, der die unterschiedliche Dehnung zwischen den Rohren 1 und dem Mantel 4 bei Erwärmung des Austauschers ausgleicht. Auf der linken Hälfte der Abb. 1 ist dieser Dehnungsauägleicher in eingebautem Zustand dargestellt. Auf der

Röhrenwärmeaustauscher mit Rohren

aus wenig zugfesten Werkstoffen,

beispielsweise Graphit

Anmelder:

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch, Frankenthal (Pfalz)

Peter Prasch, Frankenthal (Pfalz),
ist als Erfinder genannt worden

rechten Hälfte ist angedeutet, wie dieser in gedehntem Zustand eingebaut ist, um erfindungsgemäß eine Minderung der Zugbeanspruchung der Rohre herbeizuführen. Mit α ist die Form des Wellkörpers des Dehnungsausgleichers in spannungslosem Zustand vor dem Einbau gestrichelt angedeutet. Beim Einbau wird dieser in die Form b gedehnt, wodurch er einen Zug auf die anschließenden Mantelteile in Richtung der eingezeichneten Pfeile ausübt, durch den die Rohre und ihre Verbindungsstellen im Rohrboden entlastet werden.

Bei einem Beispiel eines Versuchswärmeaustauschers ergaben sich folgende Werte für die Kräfte in axialer Richtung:

Der Betriebsdruck für den Heizdampf, der die Austauschrohre außen umgibt, beträgt 2 atü.

Fläche des Bodens minus Rohrquerschnitte = 340 cm⁸

Betriebsdruck mal Bodenfläche = 680 kg

Achssenkrechte Fläche des Dehnungs-

ausgleichers = 410 cm²

Fläche des Dehnungsausgleichers mal
Betriebsdruck == 820 kg

Gesamte Druckkraft 680 + 820 = 1500 kg

Vorspannung des Dehnungsausgleichers = S mm

Ausdehnungsdifferenz zwischen Rohren und Mantel bei 90° Temperaturdifferenz = 1,5 mm

Dehnung des Ausgleichers im Betrieb = 3,5 mm

Zugkraft des Ausgleichers bei 3,5 mm

Dehnung = 610 kg

Durch den Einbau des Dehnungsausgleichers mit Vorspannung im Zugsinn wird also die auf die Rohre ausgeübte Zugkraft von 1500 kg auf 1500 — 610 = 890 kg, also auf etwa 60% herabgesetzt.

809 510/343

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Maßnahme in Verbindung mit einer an sich bekannten Ausführungsform des Federungskörpers. Normalerweise baut man den Dehnungskörper, wie in Abb. 1 gezeigt, ein. Bei dieser Anordnung ergibt sich durch den Druck des Heizmediums auf die Innenflächen der Dehnungswelle eine zusätzliche Axialkraft, wie sie in dem obigen Beispiel mit 820 kg berücksichtigt wurde. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausführungsform, wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. In dieser Abbildung sind die gleichen Teile mit den gleichen Ziffern bezeichnet wie in Abb. 1. Der Röhrenwärmeaustauscher unterscheidet sich in Abb. 2 gegenüber Abb. 1 lediglich dadurch, daß die Dehnungswelle 11 des Ausgleichers nicht von seinen Anschlußstellen am Mantel nach außen, sondern nach innen gerichtet ist, so daß der Druck des Heizmittels von außen auf diese wirkt. Die auf die achssenkrechten Flächen 12 des Mantels wirkende Axialkraft vom Druck des Heizmittels her wird in diesem Ausführungsbeispiel annähernd aufgehoben durch die auf die Dehnungswelle entgegengesetzt wirkende Axialkraft. Als Gesamtkraft für die Zugbeanspruchung der Rohre ergeben sich demnach in dem oben angeführten Beispiel lediglich etwa die auf die Bodenfläche wirkenden 680 kg. Diese können durch die Vorspannung des Dehnungsausgleichers von 610 kg, also zu 90 %, d. h. praktisch vollständig, ausgeglichen werden. Die Verhältnisse sind nicht immer so günstig, doch ergibt sich in jedem Falle eine wesentliche Verminderung der resultierenden Axialkraft auf die Rohre.

Die Abbildungen stellen nur Ausführungsbeispiele dar, die im einzelnen für die konstruktive Ausführung des Röhrenwärmeaustauschers mit den Merkmalen der Erfindung nicht maßgebend sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Röhrenwärmeaustauscher mit Rohren aus Graphit oder ähnlichem Werkstoff, bei dem die unterschiedliche Wärmedehnung von Rohren und Metallmantel durch einen Federungskörper ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Federungskörper (11) in gedehntem Zustand eingebaut wird, so daß die Rohre eine Druckvorspannung bekommen.

2. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Federungskörpers (11) von den Einspannfianschen aus nach innen gerichtet eingebaut ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

.© 809 5W343 5.58