DE19810186A1 - Spiralwärmetauscher - Google Patents

Abstract

Der Spiralwärmetauscher (1) weist ein langgestrecktes Gehäuse (2) mit einem ovalen Querschnitt auf. In Längsrichtung ist das Gehäuse (2) von zwei sich im Abstand nebeneinander erstreckenden Axialkanalpaaren (AKP; AKP1) durchzogen. Die radial inneren Enden (16) von vier Spiralkanälen (12-15) sind mit den Axialkanälen (7-10) verbunden. Die Axialkanalpaare (AKP; AKP1) sind durch eine Trennwand (6) in einen Zuströmkanal (7; 8) und in einen Abströmkanal (9; 10) unterteilt. Jedes Axialkanalpaar (AKP; AKP1) ist von einem Spiralkanalpaar (SPK; SPK1) umschlungen, die derart gegenläufig gewickelt sind, daß die radial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle (12-15) tangential ineinander übergehen. Der Zuströmkanal (7; 8) jedes Axialkanalpaars (AKP; AKP1) ist an einem Ende mit einem Tauschermedium (TM; TM1) beaufschlagbar und über zwei aneinanderschließende Spiralkanäle (12, 15; 13, 14) mit dem Abströmkanal (9; 10) des benachbarten Axialkanalpaars (AKP; AKP1) verbunden. Aus diesem ist das Tauschermedium (TM; TM1) endseitig abführbar. Die lichte Weite (W) der Spiralkanäle (12-15) wird durch Abstandselemente sichergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralwärmetauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der gattungsprägende Spiralwärmetauscher weist ein lang­ gestrecktes, umfangsseitig geschlossenes Gehäuse und stirnseitige hutförmige Kappen auf. Die Kappen können mit dem Gehäuse lösbar oder unlösbar verbunden sein.

In dem zylindrischen Gehäuse sind zwischen in den Kappen ausgebildeten Verteiler- und Sammelkammern für ein erstes Tauschermedium zwei Spiralkanäle mit mehreren Windungen angeordnet. Die Spiralkanäle sind durch das Wickeln von Bändern aus Stahlblech gebildet. Ein erster Spiralkanal ist am radial inneren Ende verschlossen und mündet mit seinem radial äußeren Ende benachbart der Innenwand des Gehäuses. Dieser erste Spiralkanal ist über offene Stirn­ seiten einerseits mit der Verteilerkammer und anderer­ seits mit der Sammelkammer medienleitend verbunden. Das erste Tauschermedium durchströmt dadurch die Windungen des ersten Spiralkanals im wesentlichen parallel zur Längsachse des Gehäuses.

Mit seiner inneren Windung begrenzt der erste Spiralkanal zwei zueinander koaxial ausgerichtete, nahezu kreisrunde Zentralkanäle. Diese sind in der Mittelquerebene des Ge­ häuses quasi mediendicht voneinander getrennt. Die von­ einander abgewandten Enden der Zentralkanäle sind mit Zu- und Abströmkanälen mediumleitend verbunden, welche die Kappen und damit auch die Verteiler- und Sammelkammern in Längsrichtung durchsetzen.

Der das zweite Tauschermedium führende zweite Spiralkanal ist in der Mittelquerebene des Gehäuses in zwei koaxial hintereinander liegende Längenabschnitte weitgehend me­ diendicht aufgeteilt. Die Längenabschnitte sind an ihren einander abgewandten Stirnseiten gegenüber der Verteiler­ kammer sowie der Sammelkammer abgedichtet. An ihren ra­ dial inneren Enden sind die Längenabschnitte jeweils mit einem der Zentralkanäle und über ihre äußeren Windungen untereinander mediumleitend verbunden.

Das erste Tauschermedium tritt über einen Querstutzen an einer Kappe in die Verteilerkammer ein und aus dieser axial in den ersten Spiralkanal über. Es durchströmt an­ schließend die Windungen des ersten Spiralkanals in des­ sen Längserstreckung, das heißt im wesentlichen parallel zur Gehäuseachse. Am anderen Ende tritt das erste Tau­ schermedium direkt aus allen Windungen in die Sammelkam­ mer über und verläßt die von einer Kappe umschlossene Sammelkammer ebenfalls über einen Querstutzen an der Kappe.

Das zweite Tauschermedium gelangt über einen axialen Zu­ strömkanal in einen Zentralkanal und tritt aus diesem in das radial innere Ende des hiermit verbundenen Längenab­ schnitts des zweiten Spiralkanals über. Es durchströmt die Windungen dieses Spiralkanals von innen nach außen und tritt in der äußeren Windung axial in den anderen Längenabschnitt über. Dann durchströmt es die Windungen dieses Längenabschnitts von außen nach innen und gelangt an dessen innerem Ende in den zweiten Zentralkanal, von dem aus es über einen axialen Abströmkanal den Spiralwär­ metauscher wieder verläßt.

Im Bereich der Spiralkanäle stehen mithin das erste Tau­ schermedium und das zweite Tauschermedium Wärme übertra­ gend in indirektem Kontakt.

Die lichte radiale Weite der Spiralkanäle wird durch aus den Bändern gedrückte nockenartige Vorsprünge bestimmt. Da diese aber nur unwesentliche Widerstände ermöglichen, ergibt sich in den beiden Längenabschnitten des zweiten Spiralkanals unter Berücksichtigung der Regeln der Strö­ mungslehre eine ungleiche Strömungsverteilung, und zwar sowohl beim Übertritt des zweiten Tauschermediums aus dem zuströmseitigen Zentralkanal in den damit verbundenen Längenabschnitt als auch beim Übertritt aus dem anderen Längenabschnitt in den abströmseitigen Zentralkanal. Eine aus der durch die einen nur geringen Widerstand bewirken­ den Vorsprünge resultierende geringe Turbulenz des zwei­ ten Tauschermediums im zweiten Spiralkanal einerseits so­ wie eine hieraus resultierende ungleiche Geschwindig­ keitsverteilung andererseits wirken sich indessen negativ auf den Wärmeübergang aus.

Der Verschluß am radial inneren Ende des ersten Spiral­ kanals, der Verschluß am radial äußeren Ende des zweiten Spiralkanals sowie die geschlossenen Stirnseiten des zweiten Spiralkanals können dadurch erzeugt werden, daß die Bandenden hinter den letzten nockenartigen Vorsprün­ gen flach zusammengedrückt und anschließend stirnseitig verschweißt werden. Bestehen die Bänder aus auste­ nitischem Material, werden sie durch WIG-Schweißen mit­ einander verbunden.

Durch das Zusammendrücken der Bänder werden enge Spalte gebildet, die bei Vorhandensein eines chloridhaltigen Me­ diums ein kritisches Spaltkorrosionspotential schaffen. Da zur Vermeidung von Anlauffarben (Beeinträchtigung der Oberflächenpassivität austenitischer Materialien) übli­ cherweise das WIG-Schweißen mit Formiergas zur Anwendung gelangt, kann das hierbei eingesetzte Formiergas (Argon oder CO₂) nur schlecht in die Spalte zwischen den zusam­ mengedrückten Bändern dringen. Dieser Sachverhalt führt zu einem kritischen Lochkorrosionspotential. Unter kri­ tisch wird in diesem Zusammenhang eine Korrosionsgefähr­ dung verstanden, weil der Abstand des Redoxpotentials zu den genannten Potentialen schrumpft.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Spiralwärmetauscher mit deutlich verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften und geringer Korrosionsgefährdung zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Ein derartiger Spiralwärmetauscher weist in einem im Querschnitt ovalen Gehäuse mit an den Flachseiten nach innen vorspringenden dreieckförmigen Längsstegen zwei ne­ beneinander liegende Spiralkanalpaare auf, von denen je­ des Spiralkanalpaar aus durch mit radialem Abstand zuein­ ander gewickelten Bändern aus Stahlblech gebildeten Spi­ ralkanälen mit jeweils mehreren Windungen besteht. Die beiden Spiralkanalpaare sind gegenläufig gewickelt, so daß die äußeren Windungen der Spiralkanäle eines Spiral­ kanalpaars im Bereich der vertikalen Mittellängsebene des Gehäuses tangential in die äußeren Windungen der Spi­ ralkanäle des benachbarten Spiralkanalpaars übergehen.

Die radial inneren Windungen jedes Spiralkanalpaars be­ grenzen zwei Axialkanalpaare, die im seitlichen Abstand zueinander sich in Längsrichtung durch das Gehäuse er­ strecken. Jedes Axialkanalpaar besteht aus einem im Quer­ schnitt halbkreisförmigen axialen Zuströmkanal und einem im Querschnitt halbkreisförmigen axialen Abströmkanal. Jeder Zuströmkanal ist vom benachbarten Abströmkanal durch eine längs gerichtete Trennwand mediendicht abge­ schottet. Die radial inneren Enden der Spiralkanäle mün­ den in die Zuström- und Abströmkanäle.

Die Zuströmkanäle werden bevorzugt nur an einem Ende mit jeweils einem Tauschermedium beaufschlagt. Sie können aber auch an beiden Enden mit dem Tauschermedium beauf­ schlagt werden. Die Tauschermedien treten dann aus den Zuströmkanälen in die angeschlossenen Spiralkanäle über, durchströmen diese Spiralkanäle von innen nach außen und anschließend die Spiralkanäle des anderen Spiralkanal­ paars von außen nach innen. Hier treten die Tauscherme­ dien jeweils in den Abströmkanal ein, der zu dem benach­ barten Axialkanalpaar gehört. Aus diesen werden die Tau­ schermedien letztlich nach außen abgeführt. Dies kann an nur einem Ende der Abströmkanäle oder ggf. auch an beiden Enden erfolgen.

Es ist ersichtlich, daß die beiden Tauschermedien im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch die Spiralkanäle ge­ führt werden können.

Die Erfindung schafft mithin die Voraussetzungen für einen langen Wärme austauschenden Kontakt der Tauscherme­ dien mit dem Ziel eines deutlich verbesserten Wärmeüber­ gangs.

Das Material der Spiralkanäle, der Zuströmkanäle und der Abströmkanäle ist bevorzugt ein Wärme gut leitender und in Bezug auf die unterschiedlichsten Medien resistenter Konstruktionswerkstoff.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird in den Merkmalen des Anspruchs 2 erblickt. Die die lichte Weite der Spiralkanäle bestimmenden Abstandsele­ mente bilden mehrere nebeneinander verlaufende Strömungs­ gänge in den Spiralkanälen. Auf diese Weise wird eine weitgehend gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung der Tauschermedien sowohl beim Übergang aus den Zuströmkanä­ len in die Spiralkanäle als auch beim Übergang von den Spiralkanälen in die Abströmkanäle erreicht, und zwar insbesondere dann, wenn die Abstandselemente außerdem Turbulenzen in den Tauschermedien erzeugen.

Auch die Abstandselemente in den Spiralkanälen bestehen vorzugsweise aus dem vorstehend erwähnten Konstruktions­ werkstoff.

Die Abstandselemente sind bevorzugt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 ausgestaltet. Danach bestehen die Ab­ standselemente aus gewendelten Drähten, deren Windungen zu den Längsachsen der Abstandselemente schräg gestellt sind. Auf diese Weise können sich die Abstandselemente problemlos Weitenänderungen der Spiralkanäle anpassen. Auch Wärmedehnungen werden ohne weiteres aufgefangen.

Die seitliche abstandsgerechte Fixierung der aus wendel­ förmigen Drähten bestehenden Abstandselemente in den Spi­ ralkanälen kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 zweckmäßig durch sogenannte Knotendrähte erfolgen. Die Knoten der Knotendrähte können in die Abstandselemente eingepreßt werden und sichern auf diese Weise problemlos die funktionsgerechte Lage der Abstandselemente in den Spiralkanälen.

Gemäß der Ausführungsform des Anspruchs 5 sind das beauf­ schlagungsseitige Ende eines Zuströmkanals und dessen axial gegenüberliegendes Ende sowie das abströmseitige Ende des strömungstechnisch zugehörigen Abströmkanals und dessen axial gegenüberliegendes Ende mit Stirnplatten verschlossen. Bevorzugt sind die Stirnplatten einge­ schweißt. Die Stirnplatten sind umfangsseitig mit nasen­ artigen Fortsätzen versehen, welche in die radial inneren Enden der Spiralkanäle fassen, welche mit den durch die Stirnplatten verschlossenen Zuström- und Abströmkanälen verbunden sind. In den Querebenen der Stirnplatten er­ strecken sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle Rund­ drähte, die mit den Fortsätzen verschweißt sind. Auf diese Weise sind die Stirnseiten dieser Spiralkanäle ein­ wandfrei gedichtet. Die diesen gedichteten Spiralkanälen umfangsseitig benachbarten Spiralkanäle werden von Dicht­ platten begrenzt, die sich parallel zu den Stirnplatten erstrecken und dem Querschnitt des Gehäuses angepaßt sind. Diese Dichtplatten können bevorzugt aus einem Asbestersatz-Material bestehen. Die Dichtplatten stützen sich an Deckeln aus Stahl ab, die stirnseitig das Gehäuse verschließen. Die Deckel sind mit dem Gehäuse ver­ schweißt.

Eine einfache Zuführung und Abführung der Tauschermedien wird mit den Merkmalen des Anspruchs 6 erzielt. Dazu mün­ den in die beaufschlagungsseitigen Enden der Zu­ strömkanäle und in die abströmseitigen Enden der Ab­ strömkanäle rohrförmige Zuströmstutzen und Abströmstut­ zen. Diese durchsetzen die Stirnplatten, die Dichtplatten und die Deckel. Jeweils ein Zuströmstutzen und der diesem strömungstechnisch zugeordnete Abströmstutzen sind mit den Stirnplatten und den Deckeln verschweißt, während der andere Zuströmstutzen und der diesem strömungstechnisch zugeordnete Abströmstutzen nur mit den Deckeln ver­ schweißt sind.

In einer Reihe von praktischen Einsatz fällen besteht die Notwendigkeit, zwischen den beiden im Wärmetausch stehen­ den Tauschermedien eine hermetische Sicherheitsbarriere zu errichten. Dies ist z. B. in der chemischen Industrie relativ häufig erforderlich, wenn eines der Tauscherme­ dien kritisch, z. B. giftig ist. In diesem Fall gelangen bevorzugt die Merkmale des Anspruchs 7 zur Anwendung.

Danach werden in diejenigen Spiralkanäle, welche das kri­ tische Medium transportieren, zusätzlich zwei Stahlbänder eingewickelt, welche flächig die Wände dieser Spi­ ralkanäle kontaktieren. Das heißt, der Spalt zwischen den Stahlbändern und den Wänden geht gegen Null. Die Stirnen­ den der Stahlbänder sind im Bereich des zugeordneten Zu­ strömkanals und Abströmkanals mit Endplatten verschlos­ sen, die in einem axialen Abstand zu den Stirnplatten liegen. Die stirnseitigen Enden der Windungen dieser Spi­ ralkanäle sind in den Querebenen der Endplatten durch eingeschweißte Drähte verschlossen, die auch mit den End­ platten verbunden sind.

Die Zuström- und Abströmstutzen sind dann mit den End­ platten verbunden. Auf diese Weise entstehen zwischen den Endplatten und den Stirnplatten kreisringförmige Berei­ che, die an Druckwächter angeschlossen werden. Bei ge­ eigneter Sensibilität der Druckwächter zeigen diese jede Veränderung des Druckniveaus an, z. B. dann, wenn die Stahlbänder durchkorrodiert sind. Die Druckwächter bewir­ ken somit einen sicherheitsrelevanten Abbruch des Wärme­ tauschbetriebs.

Nach Anspruch 8 sind die Bereiche zwischen den Endplatten und den Stirnplatten bevorzugt über die Zuströmstutzen und die Abströmstutzen mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirnplatten und den Deckeln verschweißte Rohre an die Druckwächter angeschlossen.

Desweiteren kommt es in bestimmten Industriebereichen, unter anderem in der chemischen Industrie, vor, daß einem der im Wärmetausch stehenden Tauschermedien aus unterschiedlichen Gründen ein weiteres Medium beigemischt werden muß. So wird z. B. in der Automobil-Industrie bei modernen Abgassystemen zur NO_x-Reduzierung dem zu kühlen­ den Abgas Harnsäure beigemischt.

Um auch diesem Sachverhalt Rechnung tragen zu können, sieht eine weiterbildende Maßnahme entsprechend den Merk­ malen des Anspruchs 9 vor, daß in die einen Zuströmkanal mit einem Abströmkanal verbindenden, das zu mischende Me­ dium transportierenden Spiralkanäle zwei perforierte Stahlbänder mit Abstand zu den Wänden dieser Spiralkanäle eingewickelt werden. In die Spalte zwischen den Wänden und den perforierten Stahlbändern sind dann außerdem sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle erstreckende Abstands­ elemente eingegliedert. Auch diese Abstandselemente lie­ gen im seitlichen Abstand nebeneinander und sind bevor­ zugt durch gewendelte Drähte gebildet. Die Stirnenden der perforierten Stahlbänder werden im Bereich der Zuström- und Abströmkanäle mit Trennplatten verschlossen, insbe­ sondere durch eingeschweißte Trennplatten, welche im axialen Abstand zu den Stirnplatten angeordnet sind. In den Querebenen der Trennplatten werden in die Stirnenden der perforierten Stahlbänder Runddrähte eingeschweißt. Auf diese Art entstehen zwischen den Trennplatten und den Stirnplatten kreisringförmige Bereiche, von denen minde­ stens der Bereich zwischen der zuströmseitigen Trenn­ platte und der dieser benachbarten Stirnplatte an eine Medienzufuhr angeschlossen ist. Über diese Medienzufuhr kann dann ein weiteres Medium herangeführt werden, das für eine Mischung geeignet ist.

In Weiterbildung des vorstehenden Gedankens ist nach An­ spruch 10 vorgesehen, daß der Bereich zwischen der Trennplatte und der Stirnplatte über ein den die Trenn­ platte dicht durchsetzenden Zuströmstutzen mit radialem Abstand umgebendes mit der Stirnplatte und dem Deckel verschweißtes Rohr an die Medienzufuhr angeschlossen ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Spi­ ralwärmetauscher entlang der Linie I-I der Fig. 2;

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt durch die Fig. 1 entlang der Linie II-II an einem Ende des Spiralwärmetauschers der Fig. 1;

Fig. 3 einen horizontalen Längsschnitt durch den Spiralwärmetauscher der Fig. 1 entlang der Linie III-III;

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung in der Seitenan­ sicht ein Abstandselement in Form eines ge­ wendelten Drahts;

Fig. 5 in der Seitenansicht drei verschiedene Be­ triebspositionen des Abstandselements der Fig. 4;

Fig. 6 im schematischen vertikalen Querschnitt die seitliche Abstandsfixierung von Abstandsele­ menten gemäß Fig. 4;

Fig. 7 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Spiralwärmetauschers;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 2 gemäß einer dritten Ausführungsform eines Spiralwärmetauschers;

Fig. 9 im Schema einen momentanen Verfahrenszustand beim Wickeln der Spiralkanäle für den Spiral­ wärmetauscher der Fig. 1 und

Fig. 10 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 2 mit verschiedenen Montagezuständen.

Mit 1 ist in den Fig. 1 bis 3 ein Spiralwärmetauscher bezeichnet, in welchem zwei auf unterschiedlichen Tempe­ raturniveaus liegende Tauschermedien TM, TM1 in einen Wärme indirekt tauschenden Kontakt gebracht werden.

Der Spiralwärmetauscher I besitzt ein langgestrecktes Ge­ häuse 2 mit einem ovalen Querschnitt. Das Gehäuse 2 ist an den Enden 3 durch eingeschweißte Deckel 4 verschlos­ sen. Neben den Deckeln 4 erstrecken sich Dichtplatten 5 aus einem Asbestersatz-Material.

Das Gehäuse 2 wird von zwei sich im Abstand nebeneinander erstreckenden Axialkanalpaaren AKP, AKP1 in Längsrichtung durchzogen. Jedes Axialkanalpaar AKP, AKP1 ist durch eine ebene Trennwand 6 in einen im Querschnitt halbkreisförmi­ gen axialen Zuströmkanal 7 bzw. 8 und in einen im Quer­ schnitt halbkreisförmigen axialen Abströmkanal 9 bzw. 10 unterteilt. Desweiteren läßt insbesondere die Fig. 1 erkennen, daß jedes Axialkanalpaar AKP, AKP1 von einem Spiralkanalpaar SPK, SPK1 umschlungen ist. Die Spiralka­ nalpaare SPK, SPK1 sind durch mit radialem Abstand zuein­ ander gewickelte Bänder 11 aus Stahlblech gebildet. Jeder Spiralkanal 12-15 der Spiralkanalpaare SPK, SPK1 weist mehrere Windungen auf. Zur Einhaltung der Zeichnungsüber­ sichtlichkeit ist jeweils nur eine Windung dargestellt. In der Regel beträgt die Anzahl der Windungen mehr als zehn.

Die radial inneren Enden 16 der Spiralkanäle 12-15 münden in die Zuströmkanäle 7, 8 und in die Abströmkanäle 9, 10. Hingegen gehen die radial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle 12, 13 des einen Spiralkanalpaars SPK in der vertikalen Mittellängsebene VMLE des Gehäuses 2 in die radial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle 15, 14 des anderen Spiralkanalpaars SPK1 über.

Auf diese Weise ist der Zuströmkanal 7 des Axialkanal­ paars AKP über die Spiralkanäle 12 und 15 mit dem Ab­ strömkanal 10 des Axialkanalpaars AKP1 und der Zuströmka­ nal 8 des Axialkanalpaars AKP1 über die Spiralkanäle 14 und 13 mit dem Abströmkanal 9 des Axialkanalpaars AKP verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 sind das be­ aufschlagungsseitige Ende 17 des Zuströmkanals 7 und das abströmseitige End 18 des Abströmkanals 10 mit Stirnplat­ ten 19 verschlossen. Auch die jeweils axial gegenüberlie­ genden Enden 63 des Zuströmkanals 7 bzw. 64 des Abström­ kanals 10 sind mit Stirnplatten 19 verschlossen. Die Stirnplatten 19 sind mit den die Spiralkanäle 12-15 bil­ denden Bändern 11 verschweißt. Die Stirnplatten 19 besit­ zen umfangsseitig nasenartige Fortsätze 20, mit denen sie in die radial inneren Enden 16 der Spiralkanäle 12-15 fassen und hier mit Runddrähten 21 verschweißt sind, wel­ che die Spiralkanäle 12, 15 bzw. 13, 14 in den Querebenen der Stirnplatten 19 stirnseitig abdichten. Die diesen Spiralkanälen 12, 15 bzw. 13, 14 umfangsseitig benachbar­ ten Spiralkanäle 13, 14 bzw. 12, 15 sind hingegen nur von den Dichtplatten 5 stirnseitig so begrenzt, daß kein Übertritt der Tauschermedien TM, TM1 aus den Spiralkanä­ len 12, 15 in die Spiralkanäle 14, 13 stattfinden kann.

In die beaufschlagungsseitigen Enden 17 der Zuströmkanäle 7, 8 und in die abströmseitigen Enden 18 der Ab­ strömkanäle 9, 10 münden rohrförmige Zuströmstutzen 22 und Abströmstutzen 23. Diese durchsetzen die Stirnplatten 19, die Dichtplatten 5 sowie die Deckel 4. Dabei sind der in den Zuströmkanal 7 mündende Zuströmstutzen 22 und der in den Abströmkanal 10 mündende Abströmstutzen 23 mit den Stirnplatten 19 und den Deckeln 4 verschweißt. Der in den Zuströmkanal 8 mündende Zuströmstutzen 22 und der in den Abströmkanal 9 mündende Abströmstutzen 23 sind hingegen nur mit den Deckeln 4 verschweißt.

Die Fig. 1 läßt darüberhinaus noch erkennen, daß zur einwandfreien Ausbildung der radial außen liegenden Win­ dungen der Spiralkanäle 12, 14 innenseitig der Flachsei­ ten 24 des Gehäuses 2 im Querschnitt dreieckförmige Längsleisten 25 angeordnet sind. Deren Seitenflächen 26 sind entsprechend den Krümmungen der Spiralkanäle 12, 14 konkav gekrümmt. Die Längsleisten 25 sind bevorzugt hohl ausgebildet und mit Querversteifungen 27 versehen.

Das Material des Spiralwärmetauschers 1 ist austeniti­ scher Stahl.

Die lichte radiale Weite W der Spiralkanäle 12-15 (siehe insbesondere Fig. 3) ist durch mehrere im seitlichen Ab­ stand A nebeneinander angeordnete, sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle 12-15 erstreckende Abstandselemente 28 bestimmt. Die Abstandselemente 28 bestehen gemäß Fig. 4 aus gewendelten Drähten 29, deren Windungen 30 zu den Längsachsen 31 der Abstandselemente 28 schräg gestellt sind. Auf diese Weise ist es entsprechend den drei Dar­ stellungen der Fig. 5 möglich, daß sich die Windungen 30 aus der Normalstellung gemäß a) über die Position b) bis zur Position c) in der Schräglage verändern und sich auf diese Art und Weise Weitenänderungen der Spiralkanäle 12-15 anpassen können. Der seitliche Abstand A der Ab­ standselemente 28 wird durch Knotendrähte 32 bewirkt, de­ ren Knoten 33 in die Abstandselemente 28 eingepreßt sind (Fig. 6).

Auch das Material der Abstandselemente 28 und der Knoten­ drähte 32 ist austenitischer Stahl.

In der Fig. 7 ist anhand eines endseitigen Vertikal­ schnitts eines Spiralwärmetauschers 1a eine Ausführungs­ form veranschaulicht, bei welcher eines der beiden im Wärmetausch stehenden Tauschermedien TM, TM1, hier z. B. das Tauschermedium TM, kritisch, z. B. giftig, ist. Um in diesem Fall (siehe auch Fig. 1) eine hermetische Sicher­ heitsbarriere zum unkritischen Tauschermedium TM1 vorzu­ sehen, sind in die einen Zuströmkanal 7 mit einem Ab­ strömkanal 10 verbindenden Spiralkanäle 12, 15 zwei Stahlbänder 34 eingewickelt, welche die Wände 35 der Spi­ ralkanäle 12, 15 flächig kontaktieren. Der Spalt SP zwi­ schen den Stahlbändern 34 und den Wänden 35 geht gegen Null. An den Stirnenden 36 sind die Stahlbänder 34 durch im axialen Abstand zu den Stirnplatten 19 liegende End­ platten 37 sowie in den Querebenen der Endplatten 37 durch eingeschweißte Runddrähte 38 miteinander verbunden. Die Bereiche 39 zwischen den von den Zuströmstutzen 22 und den Abströmstutzen 23 durchsetzten Endplatten 37 und den Stirnplatten 19 sind insbesondere einströmseitig über die Zuströmstutzen 22 und die Abströmstutzen 23 mit ra­ dialem Abstand umgebende, mit den Stirnplatten 19 und den Deckein 4 verschweißte Rohre 40 an Druckwächter 41 ange­ schlossen.

Wird mithin der von den Stahlbändern 34, den Endplatten 37 und den Runddrähten 38 begrenzte Strömungsraum 42 un­ dicht, führt dies zu einer Druckänderung im Bereich 39 und dadurch zu einem Signal des Druckwächters 41.

Die Fig. 8 zeigt anhand eines endseitigen Vertikal­ schnitts eines Spiralwärmetauschers 1b die Möglichkeit, zwei Medien miteinander zu mischen, hier z. B. in den Spi­ ralkanälen 12 und 15.

Zu diesem Zweck (siehe auch Fig. 1) sind in die den Zu­ strömkanal 7 mit dem Abströmkanal 10 verbindenden Spi­ ralkanäle 12, 15 zwei perforierte Stahlbänder 43 mit Ab­ stand zu den Wänden 35 der Spiralkanäle 12, 15 einge­ wickelt. In die Spalte SP1 zwischen den Wänden 35 und den perforierten Stahlbändern 43 sind sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle 12, 15 erstreckende Abstandselemente 28 gemäß Fig. 4 eingegliedert. Diese sind in der Fig. 8 nicht näher veranschaulicht.

Zwischen die Stirnenden 44 der perforierten Stahlbänder 43 sind im axialen Abstand zu den Stirnplatten 19 lie­ gende Trennplatten 45 sowie in die Querebenen der Trenn­ platten 45 Runddrähte 46 eingeschweißt. Die Bereiche 47 zwischen den Trennplatten 45 und den benachbarten Stirn­ platten 19 sind über die Trennplatten 45 dicht durchset­ zende Zuströmstutzen 22 mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirnplatten 19 und den Deckeln 4 verschweißte Rohre 48 an die Zufuhr 49 für ein Tauschermedium TM2 an­ geschlossen.

Aufgrund der perforierten Stahlbänder 43 in den Spi­ ralkanälen 12, 15 können folglich die Tauschermedien TM und TM2 gemischt und mit dem in den Spiralkanälen 14, 13 strömenden Tauschermedium TM1 in einen Wärme indirekt tauschenden Kontakt gebracht werden.

Anhand der Fig. 9 und 10 wird nachfolgend im Schema das Wickeln der Spiralkanäle 12-15 sowie der Zusammenbau eines Spiralwärmetauschers 1b gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 und 8 erläutert.

Die Wickelvorrichtung 49 umfaßt zwei Halbrollenpaare 50, 51; 52, 53, bei denen jeweils die Halbrollen 50, 51 bzw. 52, 53 in der Teilungsebene um etwa die Weite W eines Spiralkanals 12-15 zueinander versetzt sind. Die in der Ausgangsposition äußeren Halbrollen 50, 53 werden in die entsprechend vorgeformten Endabschnitte 54 eines in sich geschlossenen Stahlbands 11 eingegliedert. Das Stahlband 11 ist mit mehreren Dehnfaltenbereichen 55 ausgerüstet, welche die unterschiedlichen Dehnungen der sich zwischen den Halbrollen 50, 51 und 52, 53 erstreckenden Längenab­ schnitte 56, 57 des Stahlbands 11 berücksichtigen.

Des Weiteren werden zwischen diese Längenabschnitte 56, 57 Abstandselemente 28 gemäß Fig. 4 eingegliedert. Die Enden der Abstandselemente 28 werden in geringem Abstand von den Flachseiten 58 der Halbrollen 50 und 51 bei 59 an dem Stahlband 11 fixiert. Im Bereich der Halbschalen 52 und 53 erfolgt die Befestigung an einem Punkt 62, der etwa der Länge des konvex gekrümmten Oberfläche der Halb­ schale 52 entspricht.

Ferner wird umfangsseitig des umfangsseitig der Halbrolle 50 fixierten Abstandselements 28 ein Hilfsblech 60 vorge­ sehen. Die Länge des Hilfsblechs 60 entspricht ungefähr der Länge einer Windung eines Spiralkanals 12-15. Es ge­ stattet das Wickeln der einseitig freiliegenden, außen liegenden Abstandselemente 28.

Durch Rotieren der Halbrollenpaare 50, 51; 52, 53 im Sinne der Pfeile PF und PF1 mit elastischer Andrückung durch Stützrollen 61, wobei ein Halbrollenpaar 52, 53 stationär angeordnet ist und das andere Halbrollenpaar 50, 51 gemäß dem Pfeil PF2 gegen federnde Elemente 65 auf das stationäre Halbrollenpaar 52, 53 zu bewegt wird, kön­ nen nunmehr die beiden Spiralkanalpaare SPK und SPK1 mit der gewünschten Anzahl an Windungen gewickelt werden.

Nach dem Wickeln werden die Spiralkanalpaare SPK, SPK1 in Längsrichtung des endseitig offenen Gehäuses 2 so weit eingeschoben, daß entsprechend der Darstellung der Fig. 10 der Runddraht 46 und die Trennplatte 45 mit den gleichfalls adäquat zu der Erläuterung der Fig. 9 einge­ wickelten Stahlbändern 34 gemäß Fig. 7 oder perforierten Stahlbändern 43 gemäß Fig. 8 verschweißt werden können. Die an einem Ende derart abgedichteten Stahlbänder 34 bzw. 43 werden dann zur anderen Seite durchgeschoben, so daß auch dort die Stirnenden 44 der Stahlbänder 34 bzw. 43 mit der Trennplatte 45 und dem Runddraht 46 versehen werden können.

Anschließend werden die insoweit endseitig abgedichteten perforierten Stahlbänder 43 in die Betriebsposition ver­ lagert.

Nunmehr können auch die Stirnplatten 19 stirnseitig der Zuström- und Abströmkanäle 7 und 10 und in den Ebenen der Stirnplatten 19 die Runddrähte 21 verschweißt werden.

Im Anschluß daran werden die Dichtplatten 5 gegen die Spiralkanäle 12, 15; 13, 14 gedrückt, anschließend die Deckel 4 eingesetzt und mit dem Gehäuse 2 verschweißt.

Das Einschweißen der Zuströmstutzen 22, der Abströmstut­ zen 23 und der Rohre 40, 48 sowie der Zufuhr 49 erfolgt in der entsprechend angepaßten Reihenfolge.

Bezugszeichenliste

1

Spiralwärmetauscher

1

a Spiralwärmetauscher

1

b Spiralwärmetauscher

2

Gehäuse v.

1

3

Enden v.

2

4

Deckel v.

1

5

Dichtplatten

6

Trennwand v. AKP, AKP1

7

Zuströmkanal v. AKP

8

Zuströmkanal v. AKP1

9

Abströmkanal v. AKP

10

Abströmkanal v. AKP1

11

Bänder

12

Spiralkanal

13

Spiralkanal

14

Spiralkanal

15

Spiralkanal

16

radial innere Enden v.

12-15

17

beaufschlagungsseitigen Enden v.

7

,

8

18

abströmseitige Enden v.

9

,

10

19

Stirnplatten

20

Fortsätze

21

Runddrähte

22

Zuströmstutzen

23

Abströmstutzen

24

Flachseiten v.

2

25

Längsleisten

26

Seitenflächen v.

27

27

Querversteifungen

28

Abstandselemente

29

Drähte v.

28

30

Windungen v.

29

31

Längsachse v.

28

32

Knotendrähte

33

Knoten v.

32

34

Stahlbänder

35

Wände v.

12

,

15

36

Stirnenden v.

34

37

Endplatten

38

Runddrähte

39

Bereiche

40

Rohre

41

Druckwächter

42

Strömungsraum zw.

34

43

perforierte Stahlbänder

44

Stirnenden v.

43

45

Trennplatten

46

Runddrähte

47

Bereiche

48

Rohre

49

Wickelvorrichtung

50

Halbrolle

51

Halbrolle

52

Halbrolle

53

Halbrolle

54

Endabschnitte

55

Dehnfaltenbereiche

56

Längenabschnitt v.

11

57

Längenabschnitt v.

11

58

Flachseiten v.

50-53

59

Fixierpunkt v.

28

60

Hilfsblech

61

Stützrollen

62

Fixierpunkt v.

28

63

Ende v.

7

64

Ende v.

8

65

federnde Elemente
A Abstand v.

28

AKP Axialkanalpaar
AKP1 Axialkanalpaar
PF Pfeil
PF1 Pfeil
PF2 Pfeil
SP Spalte zw.

34

u.

35

SP1 Spalte zw.

43

u.

35

SPK Spiralkanalpaar
SPK1 Spiralkanalpaar
TM Tauschermedium
TM1 Tauschermedium
TM2 Tauschermedium
VMLE vertikale Mittellängsebene v.

2

W lichte radiale Weite v.

12-15

Claims (10)

1. Spiralwärmetauscher mit einem langgestreckten Gehäuse (2), das durch mit radialem Abstand zueinander ge­ wickelte Bänder (11) gebildete Spiralkanäle (12-15) mit jeweils mehreren Windungen aufweist, die mit zwei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegenden Tauschermedien (TM, TM1) beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das im Querschnitt ovale Gehäuse (2) in Längsrichtung von zwei sich im Abstand nebeneinander erstreckenden Axi­ alkanalpaaren (AKP, AKP1) durchzogen ist, die mit den radial inneren Enden (16) der Spiralkanäle (12-15) verbunden und durch eine Trennwand (6) jeweils in einen im Querschnitt halbkreisförmigen axialen Zu­ strömkanal (7, 8) sowie in einen im Querschnitt halb­ kreisförmigen axialen Abströmkanal (9, 10) unterteilt sind, wobei jedes Axialkanalpaar (AKP, AKP1) von einem Spiralkanalpaar (SPK, SPK1) umschlungen ist, die derart gegenläufig gewickelt sind, daß die ra­ dial außen liegenden Windungen der Spiralkanäle (12-15) in der vertikalen Mittellängsebene (VMLE) des Ge­ häuses (2) tangential ineinander übergehen und wobei der Zuströmkanal (7, 8) jedes Axialkanalpaars (AKP, AKP1) an mindestens einem Ende (17) mit einem Tau­ schermedium (TM, TM1) beaufschlagbar und über zwei aneinanderschließende Spiralkanäle (12, 15; 14, 13) mit dem Abströmkanal (9, 10) des benachbarten Axial­ kanalpaars (AKP, AKP1) verbunden ist, aus dem das Tauschermedium (TM, TM1) dann endseitig abführbar ist.

2. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte radiale Weite (W) der Spiralkanäle (12-15) durch mehrere im Abstand (A) nebeneinander angeordnete, sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle (12-15) erstreckende Abstandselemente (28) bestimmt ist.

3. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsele­ mente (28) aus wendelförmigen Drähten (29) bestehen, deren Windungen (30) schräg gestellt sind.

4. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Ab­ stand (A) der Abstandselemente (28) durch mit ihren Knoten (33) in die Abstandselemente (28) eingepreßte Knotendrähte (32) bestimmt ist.

5. Spiralwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das beaufschlagungsseitige Ende (17) eines Zuströmkanals (7) und dessen axial gegenüberliegendes Ende (63) so­ wie das abströmseitige Ende (18) eines Abströmkanals (10) und dessen axial gegenüberliegendes Ende (64) mit Stirnplatten (19) verschlossen sind, die mit um­ fangsseitigen Fortsätzen (20) in die radial inneren Enden (16) der Spiralkanäle (12-15) fassen und hier mit Drähten (21) verschweißt sind, welche die Spi­ ralkanäle (12-15) in den Querebenen der Stirnplatten (19) abdichten, während die jeweils umfangsseitig der Stirnplatten (19) liegenden Spiralkanäle (12-15) stirnseitig von Dichtplatten (5) begrenzt sind, die sich an das Gehäuse (2) endseitig verschließende Deckel (4) abstützen.

6. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die beaufschla­ gungsseitigen Enden (17) der Zuströmkanäle (7, 8) und in die abströmseitigen Enden (18) der Abströmkanäle (9, 10) rohrförmige Zuströmstutzen (22) und Abström­ stutzen (23) münden, wobei jeweils ein Zuströmstutzen (22) und der diesem strömungstechnisch zugeordnete Abströmstutzen (23) die Stirnplatten (19), die Dicht­ platten (5) sowie die Deckel (4) durchsetzen und mit den Stirnplatten (19) sowie den Deckeln (4) ver­ schweißt sind, während der andere Zuströmstutzen (22) und der diesem strömungstechnisch zugeordnete Ab­ strömstutzen (23) die Dichtplatten (5) durchsetzen und mit den Deckeln (4) verschweißt sind.

7. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die einen Zuströmkanal (7) mit einem Abströmkanal (10) verbindenden Spiralkanäle (12, 15) zwei Stahl­ bänder (34) eingewickelt sind, welche die Wände (35) der Spiralkanäle (12, 15) kontaktieren und an den Stirnenden (36) durch im axialen Abstand zu den Stirnplatten (19) liegende Endplatten (37) sowie in den Querebenen der Endplatten (37) durch einge­ schweißte Drähte (38) miteinander verbunden sind, wo­ bei die Bereiche (39) zwischen den von den Zuström­ stutzen (22) und den Abströmstutzen (23) durchsetzten Endplatten (37) und den Stirnplatten (19) an Druck­ wächter (41) angeschlossen sind.

8. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (39) über die Zuströmstutzen (22) und die Abströmstutzen (23) mit radialem Abstand umgebende, mit den Stirn­ platten (19) und den Deckeln (4) verschweißte Rohre (40) an die Druckwächter (41) angeschlossen sind.

9. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die einen Zuströmkanal (7) mit einem Abströmkanal (10) verbindenden Spiralkanäle (12, 15) zwei perfo­ rierte Stahlbänder (43) mit Abstand zu den Wänden (35) der Spiralkanäle (12, 15) eingewickelt und in die Spalte (SP1) zwischen den Wänden (35) und den perforierten Stahlbändern (43) sich in Wickelrichtung der Spiralkanäle (12, 15) erstreckende Abstandsele­ mente (28) eingegliedert sind, wobei zwischen die Stirnenden (44) der perforierten Stahlbänder (43) im axialen Abstand zu den Stirnplatten (19) liegende Trennplatten (45) sowie in den Querebenen der Trenn­ platten (45) Drähte (46) eingeschweißt sind, und wo­ bei mindestens der Bereich (47) zwischen der zuström­ seitigen Trennplatte (45) und der dieser benachbarten Stirnplatte (19) an eine Medienzufuhr (49) ange­ schlossen ist.

10. Spiralwärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (47) über ein den die Trennplatte (45) dicht durchsetzen­ den Zuströmstutzen (22) mit radialem Abstand umgeben­ des, mit der Stirnplatte (19) und dem Deckel (4) ver­ schweißtes Rohr (48) an die Medienzufuhr (49) ange­ schlossen ist.