DE19913459C1 - Spiralwärmeaustauscher und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Der Spiralwärmeaustauscher (1) enthält in einem zylindrischen Gehäuse (2) einen Spiralkörper (3). Dieser umfasst zwei im Zentralbereich vorgesehene halbzylindrische Hohlkörper (4, 5) sowie von den Hohlkörpern (4, 5) ausgehende spiralförmige Leitstäbe und ein den Spiralkörper (3) in zwei Windungen (35, 36) spiralförmig durchziehendes einteiliges Trennblech (28). Auf diese Weise werden Spiralkanäle (19, 20) gebildet. Die Enden der Spiralkanäle (19, 20) sind durch in Längsrichtung des Gehäuses (2) verlaufende Abschlussstäbe (30) verschlossen. Zwischen den radial äußeren Windungsabschnitten (40) des Trennblechs (28), den Abschlussstäben (30) und der Innenfläche (39) des Gehäuses (2) sind mondsichelförmige Einbauten (41) vorgesehen. An die Stirnwände der Hohlkörper (4, 5) sind Anschlüsse (12) zur Zu- und Abführung der im Wärmeaustausch stehenden Fluide geschweißt. Die stirnseitigen Leitstäbe sind mit den Rändern des Trennblechs (28) bei (37) verschweißt.

Description

Aus der der FR 2 596 144 A1 ist ein Spiralwärmeaustau­ scher bekannt, der durch Wickeln eines Blechstreifens ge­ bildet wird. Hierbei wird der Blechstreifen zunächst ho­ rizontal ausgerichtet. Er besteht aus zwei Längenab­ schnitten. Ein Längenabschnitt ist vollkommen eben ausge­ bildet, während der andere Längenabschnitt mit örtlichen Ausprägungen versehen ist. Ein Teil dieser Ausprägungen steht benachbart zum ebenen Längenabschnitt in die eine Richtung vor, während auf dem restlichen Längenabschnitt die Ausprägungen zur anderen Seite hin gerichtet sind.

Zum Wickeln werden im Übergangsbereich zwischen den bei­ den Längenabschnitten des Blechstreifens an seinen beiden Rändern und zu beiden Seiten halbkreisförmige Wickel­ scheiben fixiert. Die an jedem Rand des Blechstreifens liegenden Wickelscheiben sind in Längsrichtung des Blech­ streifens zueinander versetzt. Alle Wickelscheiben haben jedoch eine gemeinsame Wickelachse. Durch Drehen der Wickelscheiben um diese Wickelachse werden die Längenab­ schnitte um die Wickelscheiben gezogen. Hierbei steht der mit den Ausprägungen versehene Längenabschnitt permanent unter dem Einfluss einer Zugkraft.

Beim Wickeln gelangen während der ersten Umdrehung zunächst die der Wickelachse benachbarten ebenen Ober­ flächen der Längenabschnitte in einen Kontakt mit den ge­ krümmten Oberflächen der Wickelscheiben. Hierbei stellen die an die Wickelscheiben angrenzenden Ausprägungen die radiale Breite des dadurch erzeugten Spiralkanals sicher. Haben die Wickelscheiben etwa eine ganze Umdrehung zu­ rückgelegt, werden in von Ausprägungen freien Randstrei­ fen des Längenabschnitts mit den Ausprägungen im Quer­ schnitt U-förmige, mit den Schenkeln nach außen weisende Profile angeschweißt und in die U-Profile nicht verform­ bare Rundprofile eingelegt. Auch die U-Profile mit den eingelegten Rundprofilen werden permanent unter einer Zugkraft gehalten.

Beim weiteren Wickeln bilden folglich die Ausprägungen einen Spiralkanal, während durch die U-Profile mit den eingelegten Rundprofilen der andere Spiralkanal erzeugt wird.

Ist der Blechstreifen nahezu aufgewickelt, werden die En­ den der beiden Längenabschnitte miteinander verschweißt und es wird endseitig des Längenabschnitts mit den Aus­ prägungen ein ebener Blechstreifen auf der den Ausprägun­ gen abgewandten Seite angeschweißt und dann noch eine weitere Umdrehung vollzogen, so dass dieser weitere Blechstreifen den Mantel des zu fertigenden Spiralkörpers bildet. Nach der Umdrehung wird das freie Ende des weite­ ren Blechstreifens außenseitig des so hergestellten Man­ tels verschweißt.

Letztlich werden die Wickelscheiben sowie die Rundprofile entfernt, die Randkanten der Längenabschnitte mit den Schenkeln der U-Profile verschweißt und an die Stirnsei­ ten der durch die Wickelscheiben gebildeten inneren Zen­ tralkanäle Gehäuse geschweißt, die später der Zu- und Ab­ führung der im Wärmeaustausch stehenden Fluide dienen.

Der Herstellungsaufwand ist im bekannten Fall groß. Dies ist zunächst dadurch begründet, dass ein Blechstreifen mit punktuellen Ausprägungen versehen werden muss. Ferner ist es notwendig, in die U-Profile stabilisierende Rund­ profile einzuziehen, um das gewünschte radiale Maß des entsprechenden ausprägungsfreien Spiralkanals gewährlei­ sten zu können. Die Ausprägungen erzeugen aber hohe Strö­ mungswiderstände. Umlenkkanäle sind nicht vorhanden. Eine Verbreiterung der Spiralkanäle ist aufgrund der be­ schränkten Tiefziehbarkeit der Ausprägungen über ein be­ stimmtes Maß hinaus nicht möglich. Da lediglich ein Spi­ ralkanal hinsichtlich seiner Breite durch die Ausprägun­ gen bestimmt ist, können nur solche Medien in einen Wär­ meaustausch gebracht werden, wo ein geringer Druckunter­ schied vorhanden ist. Das Einsatzspektrum ist beschränkt. Ein Einsatz in der Hochtemperaturbrennstoffzellentechnik ist nicht vorstellbar.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Spiralwärmeaustauscher sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, bei welchen eine einfache Fertigung und ein Einsatz auch bei Höchst­ temperaturen zweier im Wärmetausch stehender Medien mög­ lich ist.

Was die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe an­ langt, so wird diese in den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ sehen.

Im Zentralbereich des Spiralkörpers befinden sich nunmehr zwei halbzylindrische Hohlkörper, die jeweils einen durch eine Querwand voneinander getrennten Zuströmraum und Ab­ strömraum aufweisen. Jeder Zuströmraum eines Hohlkörpers steht mit dem koaxialen Abströmraum dadurch in Verbin­ dung, dass durch die Leitstäbe und das Trennblech gebil­ dete Spiralkanäle von innen nach außen verlaufen und diese im äußeren Umfangsbereich des Spiralkörpers durch bogenförmig geführte flexible Trennelemente begrenzt sind. Dadurch wird jedes Fluid gezwungen, von einem Zu­ strömraum spiralförmig nach außen zu strömen, dort seine Richtung zu ändern und dann wieder spiralförmig nach in­ nen in den Abströmraum zu strömen. Dies eröffnet in vor­ teilhafter Weise die Möglichkeit, im Wärmeaustausch Gleichstrom- oder Gegenstromeffekte zu bewirken, je nach­ dem, welche Fluide im Wärmeaustausch stehen. Die Spi­ ralkanäle sind genau definiert, so dass die Fluide weit­ gehend querstromfrei in den Spiralkanälen strömen können und die Oberflächen des die Spiralkanäle begrenzenden Trennblechs optimal kontaktiert werden.

Die radiale Breite der Spiralkanäle kann über die Leit­ stäbe exakt bestimmt werden. Relevante Strömungswider­ stände sind in den Spiralkanälen im Prinzip nicht vorhan­ den. Auch können die im Wärmeaustausch stehenden Fluide hohe unterschiedliche Drücke sowie Temperaturen aufwei­ sen.

Die Fertigung sowohl der halbzylindrischen Hohlkörper als auch die Verbindung der Leitstäbe, Abschlusstäbe und Trennelemente untereinander sowie mit den Hohlkörpern bzw. dem Trennblech ist mit den üblichen Verfahren auch im Sinne einer Massenproduktion ohne weiteres durchführ­ bar. Es wird problemlos ein nach außen hermetisch abge­ dichteter Spiralkörper geschaffen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird in den Merkmalen des Anspruchs 2 gesehen. Hierbei sind die Spi­ ralkanäle von einem doppellagigen Trennblech begrenzt. Eine solche Ausführungsform gewährleistet eine außeror­ dentlich hohe Sicherheit im Hinblick auf einen bei even­ tuellen Leckagen unmittelbaren Kontakt der im Wärme­ austausch stehenden Fluide. Der Spalt zwischen den beiden Trennblechen ist dann als Leckageraum wirksam.

Zur Bildung der einen Übertritt der Fluide von den Hohl­ körpern in die Spiralkanäle und umgekehrt gewährleisten­ den Schlitze brauchen die Längswände entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 nur an einer Längswandseite mehrfach U-förmig ausgenommen zu werden, wobei die Böden der Ausnehmungen zu den Zuströmräumen oder Abströmräumen hin schräg abfallend ausgebildet sind. Entsprechend sind dann die benachbarten Längsränder der Schalenwände eben­ falls mit Abschrägungen versehen.

Nach Anspruch 4 werden die Leitstäbe zwischen den Schlit­ zen im rechten Winkel zu den Außenflächen an die Längs­ wände geschweißt. Die an den Stirnseiten des Spiralkör­ pers verlaufenden Leitstäbe werden nach dem Wickeln mit den Rändern des Trennblechs und mit den Abschlussstäben verschweißt.

Damit die bogenförmig geführten Trennelemente einwandfrei gewickelt werden können, sind sie gemäß Anspruch 5 bevor­ zugt durch Drahtseile gebildet.

Diese Drahtseile werden anhand der Merkmale des Anspruchs 6 mit den Leitstäben durch Kupplungshülsen verbunden, die danach so flach gedrückt werden, dass sie der radialen Breite der Spiralkanäle genau angepasst sind.

Je nach den jeweiligen Größenordnungen bzw. Erfordernis­ sen kann es entsprechend Anspruch 7 vorteilhaft sein, dass einander benachbarte Leitstäbe durch sich quer zu ihnen erstreckende Flachleisten geringerer Höhe auf Ab­ stand zueinander distanziert sind. Diese Flachleisten stellen somit keine relevanten Strömungswiderstände in den Spiralkanälen dar.

Die an den Stirnwänden der Hohlkörper vorgesehenen An­ schlüsse werden nach Anspruch 8 vorzugsweise durch mit den Stirnwänden verschweißte rohrförmige Stutzen gebil­ det.

Der in ein Gehäuse als stützender Mantel einfügbare Spi­ ralkörper soll in Längsrichtung relativ zum Gehäuse be­ wegbar sein. Dazu kann es vorteilhaft sein, wenn gemäß Anspruch 9 die Stirnseiten des Gehäuses mit Deckeln ver­ schlossen sind. Die Deckel sind zu den Anschlüssen, bei­ spielsweise den Stutzen, relativbeweglich angeordnet. Da­ durch kann es keine Spannungen zwischen dem Gehäuse und dem Spiralkörper geben.

Eine gleichmäßige umfangsseitige Abstützung des Spiral­ körpers im Gehäuse wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erzielt. Danach sind die Bereiche zwischen den jeweils äußeren Windungsabschnitten des Trennblechs, den Ab­ schlussstäben und der Innenfläche des Gehäuses durch mondsichelförmige Einbauten ausgefüllt. Die Länge der Einbauten ist der Länge des Spiralkörpers angepasst.

In Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen können entsprechend Anspruch 11 die Einbauten an ihren Stirnsei­ ten mit den Abschlussstutzen und den benachbarten Win­ dungsabschnitten des Trennblechs verschweißt sein. Es wird auf diese Weise ein komplett einbaufertiger Spiral­ körper zur Verfügung gestellt.

Im Hinblick darauf, dass ein Einsatz des erfindungsge­ mäßen Spiralwärmeaustauschers auch bei hohen Temperatu­ ren, wie z. B. bei etwa 950°C in der sogenannten Hochtem­ peraturbrennstoffzellentechnik vorgesehen ist, sind nach Anspruch 12 der Spiralkörper und das Gehäuse aus einem korrosions- und hitzebeständigen Edelstahl gebildet.

Die Lösung des verfahrenstechnischen Teils der der Erfin­ dung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Danach werden zunächst die Längs­ wände, die Schalenwände, die Querwände und die Stirnwände für die halbzylindrischen Hohlkörper gefertigt und an­ schließend zusammengeschweißt. Dann werden die Leitstäbe im rechten Winkel zu den Außenflächen zwischen die Schlitze und endseitig an die Längswände geschweißt. Vorab können die Leitstäbe mit den Abschlussstäben und den Trennelementen verbunden werden. Es ist aber auch eine Verbindung der Leitstäbe mit den Abschlussstäben und den Trennelementen nach dem Anschweißen der Leitstäbe an die Längswände der Hohlkörper denkbar. Somit werden vor­ montierte Baueinheiten bereitgestellt.

Parallel zu der Fertigung der Vormontagebaueinheiten wird das hinsichtlich der Länge vorbestimmte Trennblech im mittleren Längenbereich mit einer stufenartigen S-förmi­ gen Abkantung versehen. Die neben der Abkantung sich in entgegengesetzte Richtungen erstreckenden Längenab­ schnitte des Trennblechs verlaufen in parallelen Ebenen. Anschließend werden die aus den Leitstäben, den Ab­ schlussstäben, den Trennelementen und den Hohlkörpern be­ stehenden Vormontagebaueinheiten so beiderseits an der Abkantung lagefixiert, dass die Leitstäbe sich parallel zu den Längenabschnitten des Trennblechs auf deren einan­ der abgewandten Oberflächen erstrecken.

Danach erfolgt der Wickelvorgang, wobei die Hohlkörper um eine gemeinsame Wickelachse gedreht werden und durch ent­ sprechende, insbesondere federnd gelagerte, Andrückmit­ tel, z. B. in Form von Spanngurten, sichergestellt ist, dass nahezu spaltfreie Spiralkanäle erzeugt werden. Auf diese Weise kann trotz fehlender Elastizität der Leit­ stäbe eine gute Dichtung und somit eine weitgehend quer­ stromfreie Führung der Fluide in den Spiralkanälen ge­ währleistet werden.

Letztlich werden die Abschlussstäbe mit den benachbarten Windungsabschnitten des Trennblechs verschweißt.

Entsprechend Anspruch 14 werden die stirnseitig des Spi­ ralkörpers befindlichen Leitstäbe mit den Rändern des Trennblechs verschweißt. Die anderen Leitstäbe liegen aufgrund des speziellen Wickelvorgangs stramm und dicht zwischen dem Trennblech. Querströmungen sind dadurch weitgehend ausgeschlossen.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 werden nach der Fer­ tigung des Spiralkörpers dieser in das Gehäuse einge­ setzt, dann die mondsichelförmigen Einbauten eingeglie­ dert und anschließend diese Einbauten mit den Abschlussstäben und den angrenzenden Windungsabschnitten des Trennblechs verschweißt. Der Spiralkörper hat dann einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt.

Die Anschlüsse an den Stirnwänden der Hohlkörper können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 16 vor oder nach dem Eingliedern des Spiralkörpers in das Gehäuse ange­ schweißt werden.

Die Deckel des Gehäuses werden nach Anspruch 17 stirnsei­ tig eingeschweißt, wenn der Spiralkörper im Gehäuse lage­ orientiert ist. Sie besitzen Durchbrechungen für die An­ schlüsse. Auf diese Weise werden Zwängungen zwischen dem Spiralkörper und dem Gehäuse vermieden.

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

Fig. 1 im Schema eine Stirnansicht auf einen Spiral­ wärmeaustauscher;

Fig. 2 einen horizontalen Teillängsschnitt durch den Spiralwärmeaustauscher der Fig. 1 entlang der Linie II-II;

Fig. 3 im Schema eine Stirnansicht auf einen Spiral­ wärmeaustauscher gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform;

Fig. 4 einen horizontalen Teillängsschnitt durch die Darstellung der Fig. 3 entlang der Linie IV- IV;

Fig. 5 in der Perspektive eine Vormontagebaueinheit für den Spiralkörper eines Spiralwärme­ austauschers gemäß den Fig. 1 bis 4;

Fig. 6 den Ausschnitt VI der Fig. 5 in vergrößerter perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt;

Fig. 7 in nochmals vergrößertem Maßstab eine Stirn­ ansicht auf die Darstellung der Fig. 6 gemäß dem Pfeil VII, teilweise im Schnitt;

Fig. 9 eine Seitenansicht der Darstellung der Fig. 8 gemäß dem Pfeil IX und

Fig. 10 im Schema in der Stirnansicht eine Vorrich­ tung zum Wickeln eines Spiralkörpers für einen Spiralwärmeaustauscher der Fig. 1 und 2.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein Spiralwärmeaustau­ scher für zwei Fluide mit unterschiedlichen Temperaturen bezeichnet. Der Spiralwärmeaustauscher 1 weist ein zylin­ drisches Gehäuse 2 aus Edelstahl sowie einen in das Ge­ häuse 2 relativ beweglich eingesetzten Spiralkörper 3 auf.

Der Spiralkörper 3 besitzt in seinem Zentralbereich zwei neben einer Mittellängsebene MLE angeordnete und zueinan­ der radial versetzte halbzylindrische Hohlkörper 4, 5.

Wie die Fig. 1, 2, 6 und 7 ferner erkennen lassen, setzt sich jeder Hohlkörper 4, 5 (in den Fig. 6 und 7 ist nur der Hohlkörper 5 dargestellt) aus zwei koaxial ausgerichteten ebenen Längswänden 6, einer zu den Längs­ wänden 6 konkav gekrümmten Schalenwand 7, einer in der Mittelquerebene MQE zwischen den beiden Längswänden 6 eingezogenen Querwand 8 und zwei Stirnwänden 9 zusammen. Die Längswände 6, die Schalenwand 7, die Querwand 8 und die Stirnwände 9 sind miteinander verschweißt. Sie beste­ hen aus Edelstahl.

Auf diese Weise werden in jedem Hohlkörper 4, 5 ein Zu­ strömraum 10 und ein dazu koaxialer Abströmraum 11 gebil­ det. Die Zuströmräume 10 und Abströmräume 11 sind mit An­ schlüssen 12 zur Zu- und Abführung der im Wärmeaustausch stehenden Fluide versehen. Diese Anschlüsse 12 werden durch mit den Stirnwänden 9 verschweißte rohrförmige Stutzen gebildet.

An einem Längsrand 13 der Längswände 6 der Hohlkörper 4, 5 (Fig. 6 und 7) sind mehrere Schlitze 14 vorgesehen. Diese Schlitze 14 sind einerseits durch randseitige U- förmige Ausnehmungen 15 an den Längswänden 6 gebildet. Die Böden 16 der Ausnehmungen 15 sind in Richtung zu den Zuströmräumen 10 und Abströmräumen 11 abfallend ausgebil­ det. Andererseits sind die den Ausnehmungen 15 gegenüber­ liegenden Längsränder 17 der Schalenwände 7 mit Abschrä­ gungen 18 versehen. Die Längsränder 17 laufen spitz aus.

Umfangsseitig der Hohlkörper 4, 5 erstrecken sich von den Schlitzen 14 an den Hohlkörpern 4, 5 ausgehende Spi­ ralkanäle 19, 20. Die Spiralkanäle 19, 20 werden, wie die Fig. 1, 2 und 5 bis 7 zu erkennen geben, durch Leit­ stäbe 21-27 aus Edelstahl sowie durch ein einteiliges Trennblech 28 ebenfalls aus Edelstahl begrenzt (siehe auch Fig. 8). Die Leitstäbe 21-27 haben einen quadrati­ schen Querschnitt. In der Nähe der Hohlkörper 4, 5 sind die Leitstäbe 21-27 durch sich quer zu ihnen erstreckende Flachleisten 29 geringerer Höhe auf Abstand zueinander distanziert (Fig. 6). Auch die Flacheisen 29 bestehen aus Edelstahl. Die stirnseitigen Leitstäbe 21, 27 sind an ihren den Hohlkörpern 4, 5 abgewandten Enden durch im Querschnitt ebenfalls quadratische Abschlussstäbe 30 aus Edelstahl miteinander durch Schweißung rahmenartig ver­ bunden. Wie insbesondere die Fig. 5 erkennen lässt, sind die an die Hohlkörper 4, 5 im Bereich der Zuströmräume 10 angeschweißten Leitstäbe 22, 23 zwischen den in der Mit­ telquerebene MQE der Hohlkörper 4, 5 sich erstreckenden Leitstäben 24 und den stirnseitigen Leitstäben 21 mit den Leitstäben 26, 25 zwischen den Leitstäben 24 und den Leitstäben 27 benachbart zu den Anschlussstäben 30 durch flexible Trennelemente 31, 32 in Form von Drahtseilen verbunden.

Die Verbindung der Leitstäbe 22, 23, 25, 26 mit den flexiblen Trennelementen 31, 32 erfolgt durch Kupplungs­ hülsen 38. Nach dem Verbinden werden die Kupplungshülsen 38 flachgedrückt, so dass sie den Strömungsquerschnitt der Spiralkanäle 19, 20 nicht relevant beeinträchtigen.

Somit ist aus den Fig. 1, 2 und 5 deutlich zu erken­ nen, dass die Fluide von den Anschlüssen 12 aus über die Zuströmräume 10 in die an diese über die Schlitze 14 an­ geschlossenen Spiralkanäle 19, 20 gelangen können, am Ende der Spiralkanäle 19, 20 um 180° umgelenkt und über die mit den Schlitzen 14 der Abströmräume 11 verbundenen Spiralkanäle 19, 20 in die Abströmräume 11 geleitet und über die Abströmräume 11 und die Anschlüsse 12 aus dem Spiralkörper 3 herausgeführt werden. In der Fig. 5 ist dieser Sachverhalt in strichpunktierter Linienführung in der Ebene veranschaulicht. Im gewickelten Zustand der Fig. 1 und 2 befinden sich die Umlenkbereiche 33 im äußeren Umfangsbereich des Spiralkörpers 3.

Das einteilige Trennblech 28 ist im etwa mittleren Län­ genbereich stufenartig abgekantet (Fig. 1, 2 und 8). Von der Abkantung 34 aus erstreckt sich das Trennblech 28 - wie insbesondere aus der Fig. 1 zu erkennen ist - in zwei spiralförmige Windungen 35, 36 bis zum äußeren Umfangsbereich des Spiralkörpers 3, wo das Trennblech 28 mit den Abschlussstäben 30 verschweißt ist. Des Weiteren lassen die Fig. 1 und 2 erkennen, dass die stirnseiti­ gen Leitstäbe 21, 27 ebenfalls mit den Rändern des Trenn­ blechs 28 verschweißt sind. Die Schweißnähte sind mit 37 bezeichnet.

Um den Spiralkörper 3 gleichmäßig an der Innenfläche 39 des Gehäuses 2 radial abzustützen, sind in den Bereichen zwischen den jeweils äußeren Windungsabschnitten 40 des Trennblechs 28, den Abschlussstäben 30 und der Innenflä­ che 39 des Gehäuses 2 mondsichelförmige Einbauten 41 aus Edelstahl vorgesehen. Die Einbauten 41 sind mit den an­ grenzenden Windungsabschnitten 40 des Trennblechs 28 und mit den Abschlussstäben 30 verschweißt.

Nach dem Einfügen des Spiralkörpers 3 in das Gehäuse 2 können die Stirnseiten des Gehäuses 2 mit Deckeln 42 ver­ schlossen werden. Diese werden, wie aus der Fig. 2 er­ sichtlich, so stirnseitig in das Gehäuse 2 eingeschweißt, dass die mit den Stirnwänden 9 der Hohlkörper 4, 5 ver­ schweißten Anschlüsse 12 zu den Deckeln 42 relativ beweg­ lich sind. Dazu sind in den Deckeln 42 entsprechende Aus­ nehmungen 43 vorgesehen.

Bei der Herstellung des Spiralwärmeaustauschers 1 werden zunächst die halbzylindrischen Hohlkörper 4, 5 durch Zu­ sammenschweißen der vorab fertig konfigurierten Längs­ wände 6, Schalenwände 7, Querwände 8 und Stirnwände 9 ge­ bildet. Danach werden, wie insbesondere aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich, zwischen den Schlitzen 14 und an den Enden der Hohlkörper 4, 5 die mit den Abschlussstäben 30 und den Trennelementen 31, 32 verbundenen Leitstäbe 21-27 im rechten Winkel an die Außenseiten der Längswände 6 ge­ schweißt. In diesem Zusammenhang können die Ab­ schlussstäbe 30 und die Trennelemente 31, 32 nach oder vor dem Anschweißen der Leitstäbe 21-27 an die Hohlkörper 4, 5 mit den Leitstäben 21-27 verbunden werden. Dieselbe Feststellung gilt für die zwischen einander benachbarten Leitstäben 21-27 gegebenenfalls vorgesehenen Flachleisten 29.

Nunmehr werden die derart gebildeten Vormontageeinbauten 44 mit den Längswänden 6 der Hohlkörper 4, 5 beiderseits der im mittleren Längenbereich des Trennblechs 28 erzeug­ ten stufenartigen Abkantung 34 unter paralleler Ausrich­ tung der Leitstäbe 21-27 zu den einander abgewandten Oberflächen 45 des Trennblechs 28 lagefixiert (Fig. 8 und 9). Diese Fixierung erfolgt bevorzugt derart, dass die beiderseits der Hohlkörper 4, 5 liegenden Längenab­ schnitte 46, 47 des Trennblechs 28 vertikal ausgerichtet werden (Fig. 9). Dies kann in einer in der Fig. 10 nur schematisch angedeuteten Wickelvorrichtung 48 erfolgen. Nach diesem Ausrichten wird der Längenabschnitt 47 ober­ halb der Abkantung 34 zusammen mit den dortigen Leitstä­ ben 21-27 durch eine nicht näher dargestellte Biegevor­ richtung (Pfeil 50) um den oberhalb der Abkantung 34 lie­ genden Hohlkörper 5 gemäß der strichpunktierten Linie 49 so umgeformt, dass die Längenabschnitte 46, 47 des Trenn­ blechs 28 und die zugeordneten Leitstäbe 21-27 unterhalb der Abkantung 34 parallel zueinander verlaufen.

Nunmehr wird entsprechend der Darstellung der Fig. 10 ein Spanngurt 51 über den derart vorgeformten Spiralkör­ per 52 gelegt und mit seinen schräg abwärts gerichteten Enden über Federelemente 53 an einem Fundament 54 fixiert. Durch Drehen des vorgeformten Spiralkörpers 52 im Sinne des Pfeils 55 um die Wickelachse 56 wird nunmehr der Spiralkörper 3 gemäß der Darstellung der Fig. 1 fer­ tig gewickelt. Die Federelemente 53 sichern hierbei ein strammes Wickeln und gleichen auch die Durchmesserver­ größerung des Spiralkörpers 3 beim Wickeln aus.

Zweckmäßig ist der Spanngurt 51 zumindest im Bereich des zu wickelnden Spiralkörpers 3 geteilt, so dass nach dem Wickeln des Spiralkörpers 3 im Teilungsbereich des Spann­ gurts 51 nicht näher dargestellte Spannschellen angesetzt werden können, die den Spiralkörper 3 in seiner gewickel­ ten Lage halten.

Im Anschluss daran kann der Spiralkörper 3 aus der Wic­ kelvorrichtung 48 entfernt und es können die Ab­ schlussstäbe 30 mit den benachbarten Windungsabschnitten 40 verschweißt werden. Der Spiralkörper 3 ist dann für sich handhabungsfähig. Die Spannschellen können abgenom­ men werden.

Nach dem Verschweißen der Abschlussstäbe 30 können auch die stirnseitig des Spiralkörpers 3 liegenden Leitstäbe 21, 27 mit den Randbereichen des Trennblechs 28 ver­ schweißt werden. Die Schweißnähte 37 sind aus den Fig. 1 und 2 erkennbar.

Jetzt werden an die Stirnwände 9 der Hohlkörper 4, 5 die Anschlüsse 12 zur Zu- und Abführung der Fluide in Form von Rohrstutzen geschweißt.

Danach können auch die mondsichelförmigen Einbauten 41 mit den Abschlussstäben 30 und mit den angrenzenden Win­ dungsabschnitten 40 des Trennblechs 28 verschweißt wer­ den.

Der insoweit fertige Spiralkörper 3 wird dann in das Ge­ häuse 2 eingefügt. Danach können die Deckel 42 stirnsei­ tig des Gehäuses 2 eingesetzt und mit dem Gehäuse 2 ver­ schweißt werden.

Die in den Fig. 3 und 4 veranschaulichte Ausführungs­ form eines Spiralwärmeaustauschers 1a entspricht grund­ sätzlich dem anhand der Fig. 1, 2 und 5 bis 10 erläu­ terten Spiralwärmeaustauscher 1. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass im Falle des Spiralwärmeaustau­ schers 1a der Fig. 3 und 4 ein doppellagiges Trenn­ blech 28a zur Bildung des Spiralwärmeaustauschers 1a ver­ wendet wird. Dadurch werden Leckageräume 57 als Sicher­ heitseinrichtungen gebildet.

Bezugszeichenaufstellung

1

Spiralwärmeaustauscher

1

a Spiralwärmeaustauscher

2

Gehäuse

3

Spiralkörper

4

Hohlkörper

5

Hohlkörper

6

Längswände v.

4

,

5

7

Schalenwand v.

4

,

5

8

Querwand v.

4

,

5

9

Stirnwände v.

4

,

5

10

Zuströmraum in

4

,

5

11

Abströmraum in

4

,

5

12

Anschlüsse an

9

13

Längsrand v.

6

14

Schlitze

15

Ausnehmungen in

6

16

Böden v.

5

17

Längsränder v.

7

18

Abschrägungen an

17

19

Spiralkanal

20

Spiralkanal

21

Leitstab

22

Leitstab

23

Leitstab

24

Leitstab

25

Leitstab

26

Leitstab

27

Leitstab

28

Trennblech

28

a Trennblech

29

Flachleisten

30

Abschlussstäbe

31

Trennelemente

32

Trennelemente

33

Umlenkbereiche

34

Abkantung v.

28

35

Windung

36

Windung

37

Schweißnähte

38

Kupplungshülsen

39

Innenfläche v.

2

40

äußere Windungsabschnitte

41

mondsichelförmige Einbauten

42

Deckel f.

2

43

Ausnehmungen in

42

44

Vormontageeinbauten

45

Oberflächen v.

28

46

Längenabschnitt v.

28

47

Längenabschnitt v.

28

48

Wickelvorrichtung

49

strichpunktierte Linie

50

Biegevorrichtung

51

Spanngurt

52

vorgeformter Spiralkörper

53

Federelemente

54

Fundament

55

Pfeil

56

Wickelachse

57

Leckageräume
MLE Mittellängsebene
MQE Mittelquerebene

Claims (17)

1. Spiralwärmeaustauscher, der in einem zylindrischen Gehäuse (2) einen nach außen hermetisch abgedichteten Spiralkörper (3) enthält, welcher in seinem Zentral­ bereich zwei neben einer Mittellängsebene (MLE) ange­ ordnete und zueinander radial versetzte halbzylindri­ sche Hohlkörper (4, 5) aus jeweils zwei koaxial aus­ gerichteten ebenen Längswänden (6), einer zu den Längswänden (6) konkav gekrümmten Schalenwand (7) und zwei mit Anschlüssen (12) zur Zu- bzw. Abführung von Fluiden mit unterschiedlichen Temperaturen versehenen Stirnwänden (9) umfasst, und die Hohlkörper (4, 5) durch im Bereich ihrer Mittelquerebenen (MQE) einge­ zogene Querwände (8) voneinander getrennte Zuström­ räume (10) und Abströmräume (11) aufweisen, welche über randseitig der sich parallel zur Mittel­ längsebene (MLE) erstreckenden Längswände (6) vorge­ sehene Schlitze (14) mit spiralförmig verlaufenden Kanälen (19, 20) in Verbindung stehen, die durch mit den Längswänden (6) verbundene spiralförmige Leit­ stäbe (21-27) sowie ein zwischen den Längswänden (6) der Hohlkörper (4, 5) eingespanntes und den Spiral­ körper (3) spiralförmig durchziehendes einteiliges Trennblech (28, 28a) begrenzt sind, dessen der Innen­ fläche (39) des Gehäuses (2) benachbarte Enden je­ weils mit einem parallel zur Längsachse des Gehäuses (2) verlaufenden Abschlussstab (30) dicht verbunden sind, der außerdem sowohl mit dem benachbarten Win­ dungsabschnitt (40) des Trennblechs (28, 28a) als auch mit den endseitig der Hohlkörper (4, 5) befind­ lichen, die Spiralkanäle (19, 20) an den Stirnseiten des Spiralkörpers (3) dicht verschließenden Leitstä­ ben (21, 27) dicht verbunden ist, wobei die jedem Hohlkörper (4, 5) zwischen den stirnseitigen Leitstä­ ben (21, 27) und den sich in den Mittelquerebenen (MQE) erstreckenden Leitstäben (24) zugeordneten, im Bereich der Zuströmräume (10) und der Abströmräume (11) liegenden Leitstäbe (22, 23, 25, 26) im äußeren Umfangsbereich (33) des Spiralkörpers (3) durch bo­ genförmig geführte flexible Trennelemente (31, 32) verbunden sind.

2. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, bei welchem die Spiralkanäle (19, 20) von einem doppellagigen Trennblech (28a) begrenzt sind.

3. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Schlitze (14) in den Längswänden (6) durch bodenseitig abgeschrägte randseitige Ausnehmun­ gen (15) der Längswände (6) und durch Abschrägungen (18) an den benachbarten Längsrändern (17) der Scha­ lenwände (7) gebildet sind.

4. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Leitstäbe (21-27) durch Schweißen mit den Längswänden (6), mit dem Trennblech (28, 28a) und mit den Abschlussstäben (30) verbunden sind.

5. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die flexiblen Trennelemente (31, 32) durch Drahtseile gebildet sind.

6. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die flexiblen Trennelemente (31, 32) und die Leitstäbe (22, 23, 25, 26) durch flach ge­ drückte Kupplungshülsen (38) miteinander verbunden sind.

7. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem einander benachbarte Leitstäbe (21-27) durch sich quer zu ihnen erstreckende Flachleisten (29) geringerer Höhe auf Abstand zueinander distan­ ziert sind.

8. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Anschlüsse (12) durch mit den Stirnwänden (9) verschweißte rohrförmige Stutzen ge­ bildet sind.

9. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der Spiralkörper (3) kürzer als das Gehäuse (2) ausgebildet ist und die Stirnseiten des Gehäuses (2) durch zu den Anschlüssen (12) relativ beweglich eingesetzte Deckel (42) verschlossen sind.

10. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Bereiche zwischen den jeweils äu­ ßeren Windungsabschnitten (40) des Trennblechs (28, 28a), den Abschlussstäben (30) und der Innenfläche (39) des Gehäuses (2) durch mondsichelförmige Einbau­ ten (41) ausgefüllt sind, deren Länge etwa der Länge des Spiralkörpers (3) entspricht.

11. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 10, bei welchem die mondsichelförmigen Einbauten (41) an ihren Stirn­ seiten mit den Abschlussstäben (30) und den benach­ barten Windungsabschnitten (40) des Trennblechs (28, 28a) verschweißt sind.

12. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem der Spiralkörper (3) und das Gehäuse (2) aus einem korrosions- und hitzebeständigen Edel­ stahl gebildet sind.

13. Verfahren zur Herstellung eines Spiralwärmeaustau­ schers (1, 1a) gemäß den Merkmalen eines der Ansprü­ che 1 bis 12, bei welchem zunächst die halbzylindri­ schen Hohlkörper (4, 5) durch Zusammenschweißen der vorab fertig konfigurierten Längswände (6), Schalen­ wände (7), Querwände (8) und Stirnwände (9) gebildet und danach zwischen den Schlitzen (14) und an den En­ den der Hohlkörper (4, 5) die mit den Abschlussstäben (30) und den Trennelementen (31, 32) verbundenen Leitstäbe (21-27) im rechten Winkel zu den Außensei­ ten der Längswände (6) angeschweißt werden, worauf die derart gebildeten Vormontageeinbauten (44) mit ihren Längswänden (6) beiderseits einer im mittleren Längenbereich des Trennblechs (28, 28a) erzeugten stufenartigen Abkantung (34) unter paralleler Aus­ richtung der Leitstäbe (21-27) zu den einander abge­ wandten Oberflächen (45) des Trennblechs (28, 28a) fixiert, anschließend die Hohlkörper (4, 5) mit den Leitstäben (21-27), den Abschlussstäben (30), den flexiblen Trennelementen (31, 32) und dem Trennblech (28, 28a) zum Spiralkörper (3) gewickelt und dann die Abschlussstäbe (30) mit den benachbarten Windungsab­ schnitten (40) des Trennblechs (28, 28a) verschweißt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die stirnsei­ tig des Spiralkörpers (3) befindlichen Leitstäbe (21, 27) mit den Rändern des Trennblechs (28, 28a) ver­ schweißt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem der Spiralkörper (3) in das Gehäuse (2) eingesetzt, dann die mondsichelförmigen Einbauten (41) eingegliedert und anschließend diese Einbauten (41) mit den Ab­ schlussstäben (30) und den angrenzenden Windungsab­ schnitten (40) des Trennblechs (28, 28a) verschweißt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem vor oder nach dem Eingliedern des Spiralkör­ pers (3) in das Gehäuse (2) die Anschlüsse (12) mit den Stirnwänden (9) der Hohlkörper (4, 5) verschweißt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei welchem die Deckel (42) stirnseitig des Gehäuses (2) eingeschweißt werden.