DE1168929B - Rohrfoermiges Waermetauscherelement - Google Patents

Description

• Rohrföriniges Wärmetauscherelement Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Wärmetauscherelement mit einem außen von einem innerhalb eines Außenbehälters befindlichen flüssigen Medium und innen von einem gasförmigen Medium bespülten Außenmantel, der durch an ihren Längskanten metaJ1isch dicht verbundene Mantelstreifen gebildet wird, die mit von diesen radial abstehenden, längslaufenden Innenrippen im Querschnitt ein einstückiges Profil bilden, wobei der von diesen Innenrippen umgebene axiale Hohlraum mindestens einerseits durch eine Kappe aus gegen dieses Medium beständigem Werkstoff abgeschlossen ist.
• Beim Wärmeaustausch zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit kann man demgegenüber der Flüssigkeitsseite wesentlich schlechteren Wärmeübergang auf der Gasseite dadurch Rechnung tragen, daß man vom Außenmantel, d. h. von der gasseitigen zylindrischen Wandung des Wärmetauschers eine Vielzahl radialer Rippen nach innen in den Gasraum hineinragen läßt, durch welche die zum Wärmeübergang zur *vTerfügung stehende Wandfläche entsprechend vergrößert wird. Insbesondere bei der Ausbildung des Wärmetauscherelementes als Bestandteil eines Heizgerätes zur Aufheizung einer Flüssigkeit von einer zentralen Heizflamme her wird es dabei angestrebt, das unmittelbar an den Feuerraum des Gerätes axial anschließende Wärmetauscherelement zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Gas-Durchströmungsgeschwindigkeit nur mit gegenüber dem Innendurchmesser des Außenmartels verhältnismäßig schmalen radialen Rippen zu versehen und den zentral eingeschlossenen zylindrischen Rohrteil gegenüber den Verbrennungsgasen abzuschirmen. Bei dem eingangs genannten bekannten Wärmetauscherelement sind deshalb eintritts- und austrittsseitig der inneren radialen Rippen den zentralen zylindrischen Rohrteil abdeckende Kappen vorgesehen, so daß die Verbrennungsgase zumindest am eintritts- und austrittsseitigen Ende des Wärmetauscherelementes durch die zwischen den Rippen gebildeten Kanäle hindurchströmen müssen. Eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung vom Gas auf die Flüssigkeit ist dabei noch dadurch erzielt, daß die radialen Rippen einzeln zugleich einstückig in je einen Mantelstreifen des Außenmantels übergehen.
• Trotzdem konnte mit einem solchen Wärinetauscherelement in der Wärmeübertragung noch kein so guter Wirkungsgrad erreicht werden, wie es vielfach im Interesse einer möglichst kleinen Bemessung des ganzen Wärmetauscherelementes angestrebt ist. Eine maßgebliche Schwierigkeit lag z. B. darin, den zylindrischen Mittelraum gegenüber den zwischen den Rippen gebildeten Kanälen richtig abzuschließen. Wollte man etwa an die inneren Längskanten der Rippen noch ein zentrales Rohr anschweißen, so würde dies bei den im Betrieb auftretenden Temp&-raturen zu unzulässigen Wärmespannungen und zur Gefahr von Rissen führen. Auch eine etwaige starre Verbindung der beiden genannten Kappen durch ein dazwischen befindliches, an den inneren Längskanten der Rippen lediglich , anliegendes Rohr würdebei denbetriebsmäßigenGastemperaturenzu unzulässigen Spannungen der Rippen und auch zu Überm. hitzungen des ungekühlten inneren Rohres führen.
• Bei dem bekannten Wärinetauscherelement ist der Schwierigkeit dadurch begegnet worden, daß die Rippen in ihrer Zahl und Wandstärke so zahlrejzh bemessen sind, daß sie mit ihren inneren Längskapten ohnehin verhältnismäßig dicht nebeneinanderliogen, weshalb keine allzu großen Gasmengen die Rippen durch den mittleren zylindrischen Raum hindurch umströmen können. Dabei ergibt sich jedoch der andere Nachteil, daß die zwischen den Rippen verbleibenden Kanäle innen für eine ausreichende Durchströmung zu eng und durch den kleinen gegenseitigen Abstand auch zu heiß werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Mängel zu vermeiden und die Leistungsfähigkeit des Wärinetauscherelementes nach Möglichkeit weiter zu steigern.
• Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Innenrippen bildenden Profilstege in an sich bekannter Weise auch an ihren inneren Enden je einen Querflansch tragen und die benachbarten Querflansche durch wenigstens annäherndes gegenseitiges Berühren ihrer Längskanten einen nach dem umschlossenen Hohlraum hin im wesentlichen abgeschlossenen Innenmantel des Wärmetauscherelementes bilden.
• Auf diese einfache Weise bleibt der zentrale Innenraum des Wärinetauscherelementes als Totraum von den strömenden Gasen frei, die gezwungen werden, durch die Kanäle zwischen den abgewinkelten Profilrippen hindurchzuströmen, wo genügend Wärmeübergangsflächen zur Verfügung stehen. Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement eignet sich daher besonders als Flammrohr oder Teil eines Flammrohrkessels für gasförmige und flüssige Brennstoffe und für größere Leistung und großen Flammendurchmesser.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Stellen der wenigstens annähernden gegenseitigen Berührung der den Innenmantel bildenden Querflansche vom Außenmantel gleiche radiale Abstände auf, wodurch eine besonders gleichmäßige und spannungsfreie betriebsmäßige Beanspruchung der Profilrippen gewährleistet wird.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Längskanten der benachbarten Mantelstreifen in an sich bekannter Weise als gegeneinander gerichtete Stoßstellen miteinander verschweißt. Während bei dem eingangs genannten bekannten Wärmetauscherelement die Mantelstreifen sich jeweils über ihre halbe, Breite überlappen und somit auch lediglich über ihre den Rippen am meisten abgelegenen Endteile unmittelbar mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, ist durch diese Ausgestaltung erreicht, daß alle mit den Rippen verbundenen Mantelstreifen an ihrer Außenseite völlig mit der Flüssigkeit in Berührung kommen.
• Es ist bereits ein hitzebeständiges Wandgebilde eines Brennraumes bekannt, das eine wenigstens zum Teil aus einer Mehrzahl von mosaikartig angeordneten, an ihren benachbarten Rändern frei dehnbaren Wandstücken gebildete Innenwand besitzt, wobei die Wandstücke an einem außerhalb des Brennraumes angeordneten Träger einzeln abgestützt sind. Dabei ist an eine Verwendung des Wandgebildes in einem Flammrohr gedacht, wobei durch die Wandstücke die rohrförmige Außenwand vor einer übermäßigen Erhitzung bewahrt werden soll. Abgesehen davon, daß die einzelnen Wandstücke mit jeweils rechteckiger Form nur verhältnismäßig klein sind, wodurch sich zwischen den Wandstücken erheblich mehr Spalten als zwischen den Querflanschen der vorliegenden Erfindung ergeben, besteht aber auch keine Veranlassung zu einer weitmöglichen Trennung des zwischen dem Innen- und Außenmantel des Wandgebildes befindlichen Raumes gegenüber dem zentral eingeschlossenen Raum. Es ist vielmehr in erster Linie an die Verwendung dieses Wandgebildes zur unmittelbaren Aufnahme eines Brennraumes, z. B. einer Gasturbine, gedacht, in den durch den Innenmantel des Wandgebildes zugleich kühlend wirkende Sekundärluft eingeführt werden soll, weshalb die zwischen den Wandstücken gebildeten Spalten teilweise sogar wesentlich vergrößert sind. Die nunmehrige Erfindung, der nicht die Aufgabe einer Temperaturabschirmung des Außenmantels, sondern vielmehr die Aufgabe eines besonders wirtschaftlichen Wärmeaustausches von innerhalb des Wandgebildes strömenden Verbrennungsgasen auf einen äußeren Wassermantel, zugrunde liegt und bei der wesentlich weniger und praktisch geschlossene Spalten vorgesehen sind, konnte deshalb durch das bekannte Wandgebilde nicht nahegelegt werden.
• In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 einen Flammrohrkessel, dessen von einem Wassermantel umgebenes Flammrohr in ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherelement übergeht; F i g. 2 das Wärmetauscherelement gemäß F i g. 1 in einem Querschnitt nach der Linie A-A der F i g. 1; F i g. 3 einen der F i g. 2 entsprechenden Querschnitt mit einer gegenüber F i g. 2 abgewandelten Ausführung des Wärinetauschereiementes; F i g. 4 ebenfalls einen der F i g. 2 entsprechenden Querschnitt mit einem weiterhin abgewandelten Wärmetauscherelement.
• Der dargestellte Flammrohrkessel 1 weist einen Feuerraum 2 auf, in den eintrittsseitig zentral ein üblicher Brenner 3 hineinragt, dessen Flammen die glatte zylindrische Rohrwandung la des Kessels nicht berühren. Die Rohrwandung la und der etwa an der Flammenspitze an diese anschließende Außenmantel 5 des nachstehend noch näher beschriebenen Wärmetauscherelementes 4 sind noch von einem konzentrischen rohrförmigen Außenbehälter 13 umschlossen, so daß zwischen der Rohrwandung la und dem Außenmantel 5 des Wärmetauscherelementes 4 einerseits sowie zwischen der Innenwandung des rohrförmigen Außenbehälters 13 anderseits ein Wassermantel 14 gebildet wird.
• Wie aus F i g. 2 hervorgeht, wird der Außenmantel 5 durch an ihren Längskanten 6 durch Längsnähte verschweißte Mantelstreifen 5a gebildet, die mit von diesen radial abstehenden, längslaufenden Innenrippen 7 a im Querschnitt ein einstückiges Pro-fil bilden. Der von den Innenrippen 7 a umgebene axiale Hohlraum 10 des Wärmetauscherelementes 4 ist an der Eintrittsseite und an der Austrittsseite des Wärmetauscherelementes 4 je durch eine Kappe 11 bzw. 12 aus gegen die Gase beständigem Werkstoff abgeschlossen. Die die Innenrippen 7a bildenden Profilstege tragen auch an ihren inneren Enden je einen Querflansch 8 a und die benachbarten Querflansche 8a bilden (im Gegensatz zur Darstellung, in der zur besseren Veranschaulichung der einzelnen Rippen Zwischenräume sichtbar sind) durch wenigstens annäherndes gegenseitiges Berühren ihrer Längskanten einen nach dem umschlossenen Hohlraum 10 hin im wesentlichen abgeschlossenen Innenmantel 8 des Wärmetauscherelementes 4, der die zwischen den Innenrippen 7 a gebildeten Strömungskanäle 15 a innen begrenzt.
• Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Höhe der Innenrippen 7a weniger als ein Viertel der lichten Weite des durch die Mantelstreifen 5 a gebildeten Außenmantels 5, vorzugsweise sogar nur etwa ein Sechstel dieser Weite.
• Während bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die inneren Querflansche 8 a lediglich nach der einen Seite der zugeordneten Innenrippen 7 a ragen, ist in F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauscherelementes 4 dargestellt, bei welchem die zugleich die Innenrippen 7 b bildßnden Profile etwa ein Doppel-T-Profil aufweisen. Somit schließt die jeweilige Innenrippe 7 b außen in der Mitte des zugehörigen Mantelstreifens 5 b an und endet in der Mitte des innen anschließenden Quer-Ransches 8b. Zwischen den einzelnen Innenrippen werden dabei ganz ähnliche Strömungskanäle 15 b für das Gas wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gebildet.
• Das in F i g. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in F i g, 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, daß die Innenrippen 7 c radial nach außen je eine sich verstärkende Wandstärke aufweisen, so daß die zwischen den äußeren Mantelstreifen 5 c und den inneren Querflanschen 8 c und den Innenrippen 7 c gebildeten Strömungskanäle 15 c jeweils etwa einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Ein solcher Querschnitt ist leichter als ein unregelmäßig geformter Querschnitt von angesetztern Ruß zu reinigen.
• Die Erfindung ist nicht an alle Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele gebunden. So könnten die jeweils eine Innenrippe bildenden Profile auch so geformt sein, daß die zwischen dem Außenmantel 5, dem Innenmantel 8 und den Innenrippen gebildeten Strömungskanäle je einen etwa kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen und dadurch noch besser gereinigt werden können. Da hierdurch eine gewisse Verkleinerung der zum Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Wandflächen entsteht, werden die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele bevorzugt. Es ist auch möglich, den eintrittsseitig der Gase durch die Kappe 11 abgeschlossenen Hohlraum 10 austrittsseitig des Wärmetauscherelementes 4 ohne Kappe zu belassen, da bei der beschriebenen Ausbildung des Innenmantels 8 einer austrittsseitigen Kappe nur eine untergeordnete Bedeutung zukommt.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Rohrförmiges Wärinetauscherelement mit einem außen von einem innerhalb eines Außenbehälters befindlichen flüssigen Medium und innen von einem gasförn-ügen Medium bespülten Außemnantel, der durch an ihren Längskanten metallisch dicht verbundene Mantelstreifen gebildet wird, die, mit von diesen radial abstehenden, längslaufenden Innenrippen im Querschnitt ein einstückiges Profil bilden, wobei der von diesen Innenrippen umgebene axiale Hohlraum nündestens einerseits durch eine Kappe aus gegen dieses Medium beständigem Werkstoff abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Inneririppen(7a,7b,7c) bildenden Profilstege in an sich bekannter Weise auch an ihren inneren Enden je einen Querflansch(Sa, 8b,8c) tragen und die benachbarten Querflansche durch wenigstens annäherndes gegenseitiges Berühren ihrer Längskanten einen nach dem umschlosse-nen Hohlraum (10) hin im wesentlichen abgeschlossenen Innenmantel (8) des Wärinetauscherelementes (4) bilden.
2. 2. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen der wenigstens annähernden gegenseitigen Berührung der den Innenmantel (8) bildenden Querflansche (8 a, 8 b, 8 e) vom Außenmantel (5) gleiche rachale Abstände aufweisen. 3. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanten (6) der benachbarten Mantelstreifen (5 a, 5 b, 5 e) in an sich bekannter Weise als gegeneinander gerichtete Stoßstellen miteinander verschweißt sind.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 449 740; schweizerische Patentschriften Nr. 331954, 280 011; französische Patentschriften Nr. 1086 337, 940 764; britische Patentschriften Nr. 447 856, 331010.