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Wärmeaustauscher
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, bei dem eine Flüssigkeit im Inneren von einzel- nen parallel zueinander liegenden, zu Rohrbündeln zusammengefassten und einer Beheizung ausgesetzten
Rohren, welche im Arbeitsmittelstrom parallelgeschaltet sind und deren der Querströmung des erwärmen- den Mediums ausgesetzte einfache Rohrstrecke ein Mehrfaches von der dem Parallelstrom ausgesetzten
Rohrstrecke beträgt, erwärmt oder verdampft wird und wobei die Rohrbündel an lotrechte oder annähernd lotrechte, die Wände eines Zuges verkleidende Rohre angeschlossen sind. Es ist bekannt, die Elemente von
Wärmeaustauschern von den Seiten eines Gaszuges her in diesen hineinragen zu lassen. Die einzelnen
Wärmeaustauschelemente bestehen hiebei aus jeweils einseitig geschlossenen oder aus einzelnen U- oder
V-förmig abgebogenen Rohren.
Jedes dieser Einzelrohre geht von einem zugehörigen Seitenwandrohr aus.
Diese Ausbildung ergibt nur eine geringe Berührungsheizfläche, weshalb man zur Vergrösserung der Fläche zu komplizierten Rohrformen überging. Beispielsweise wurden die Rohre in Form eines seitwärts liegenden
W oder in Schraubenlinien mit mehr oder minder langen geraden Strecken gebogen.
Bei einer andern bekannten Form eines Wärmeaustauschelementes kommen mehrere in einer Ebene liegende U-förmige Rohre zur Anwendung. Hiebei sind die Horizontalstrecken der Rohre relativ kurz, während die senkrechten Verbindungsrohre sehr lang sind.
Bei diesen bekannten Wärmeaustauschern ist man für die Unterbringung einer grossen Austauschfläche auch auf einen grossen Raum angewiesen, da die bekannten Wärmeaustauschelemente eine gedrängte Bauform nicht zulassen. Grössere Austauschflächen erreicht man aber nur mit komplizierten Rohrformen, die besondere Schwierigkeiten bei ihrer Herstellung verursachen. Ein weiterer Nachteil, der insbesondere bei diesen komplizierten Rohrformen auftritt, ist die Schwierigkeit, die Rohre aus dem Gaszug herauszunehmen, falls an ihnen Schäden auftreten.
Diese Schwierigkeiten treten auch dann auf, wenn man, um eine möglichst grosse Austauschfläche in einem vorgegebenen Raum unterzubringen, gezwungen ist, von mehreren Wänden des Gaszuges Wärmeaustauschelemente in diesen zu führen, wobei aber-bedingt durch bauliche Gegebenheiten der Gesamtanlage-ein ungehinderter Zugang zu allen Gaszugwänden nicht möglich ist.
Den bekannten Wärmeaustauschern haftet auch der weitere Nachteil an, dass die Aufwärmung des durch die Rohre strömenden Arbeitsmittels ungleichmässig ist und dass auch oftmals ein ziemlich hoher Druckabfall in den einzelnen Wärmeaustauschelementen auftritt Auch sind bei bekannten Wärmeaustauschelementen die in ihnen auftretenden Temperaturunterschiede ziemlich hoch, was unerwünscht ist.
Die bekannten Wärmeaustauschelemente mit U-förmig ausgebildeten einzelnen Rohren, deren Vertikalstrecken länger als die Horizontalstrecken sind, haben den Nachteil, dass bei senkrechter Gasströmung nur kurze Rohrstrecken von den Gasen quer angeströmt werden, während die längeren Strecken im Parallelstrom liegen, wobei aber bekanntlich die Querströmung einen besseren Wärmeübergang ergibt als die Parallelströmung.
Ein wesentlicher Nachteil der bekanntgewordenen Wärmeaustauschelemente mit U-förmig gebogenen Rohren liegt darin, dass diese Rohre in den Dampfraum eines Wasserrohrkessels einmünden. Hiedurch ist es möglich, dass die Strömung in der Wärmeaustauschfläche zum Erliegen kommt und diese durch die Beheizung zerstört wird, da der in den Rohren stehende Dampf bekanntlich keine Kühlwirkung hat.
Ferner ist es bekannt, bei Überhitzerflächen U-förmige Rohrbündel zu verwenden, die im Weg des zu überhitzenden Dampfes parallelgeschaltet sind, jedoch von hintereinandergeschalteten Kästen ausgehen, so dass jedes zugeführte Dampfteilchen den Weg durch sämtliche in einer lotrechten Ebene liegende U-förmige Rohre zurücklegen muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem auf kleinem Raum eine möglichst grosse Wärmeaustauschfläche untergebracht werden kann, wobei die Herstellung dieser Fläche ohne grosse Schwierigkeiten zu bewerkstelligen ist. Insbesondere liegt die Aufgabe darin, die vorstehend aufgezeigten Nachteile bekannter Bauformen hiebei zu vermeiden.
Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung kann nicht nur für die Aufheizung eines durch die Wärmeaustauschflächen geleiteten Mediums dienen, sondern kann in gleicher Weise auch für die Abkühlung eines solchen verwendbar sein.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass jeweils von einem lot- rechten oder annähernd lotrechten, an jeweils gegenüberliegenden Wänden des vornehmlich vertikal durch- strömten Gaszuges angeordneten und mit in Abstand voneinander liegenden, an sich bekannten Drossel- stellen versehenen Rohr mindestens zwei in gleichen senkrechten Ebenen liegende, aus U-förmigen
Rohren gebildete Rohrbündel ausgehen, die im Arbeitsmittelstrom hintereinandergeschaltet an ihr jeweiliges lotrechtes Rohr angeschlossen sind, so dass die Austrittsenden des einen Rohrbündels und die
Eintrittsende des folgenden Rohrbündels in einem von Drosselstellen begrenzten Rohrstück münden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung und weitere durch diese erzielte Vorteile werden an Hand der
Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt teils im senkrechten Schnitt, teils in Ansicht den Aufbau eines Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung. Fig. 2 ist ein Horizontalschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1. Die Rohre 1 sind lotrecht oder annähernd lotrecht angeordnet und kleiden die Wände eines Zuges aus. Sie entspringen den Verteilern 2 und münden oben in nicht dargestellte Sammler ein. Von den Rohren 1 gehen parallele Rohre 3 aus, die zu je einem Rohrbündel zusammengefasst sind. Diese Rohre 3 münden nach Durchqueren des von den Rohren 1 begrenzten Gaszuges 4 wieder in die Rohre 1 ein. Hiebei beträgt die der Querströmung der
Gase (durch Pfeile 5 angedeutet) ausgesetzte Rohrstrecke ein Mehrfaches von der dem Parallelstrom ausgesetzten Rohrstrecke, wodurch ein besserer Wärmeübergang erreicht wird.
Vorzugsweise werden mindestens zwei aus Rohren 3 bestehende Rohrbündel an einem Rohr 1 angeschlossen, was eine bessere Durchmischung des zu beheizenden Mediums und eine Verringerung der Unterschiede in der Erwärmung ergibt. Die Rohre. ? sind vorzugsweise aus U-förmigen Rohren gebildet, wodurch sich deren Herstellung vereinfachen lässt, da die Biegeradien gleich bleiben und im übrigen nur gerade Rohrstrecken vorhanden sind. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, liegen die U-förmigen Rohre 3 in einer senkrechten Ebene. Im gezeigten Beispiel ragen die Rohrbündel von beiden Seiten in den Gaszug 4 hinein. Jedoch kann es durch die Aufstellung der Anlage bedingt sein, dass nur eine Seite zugänglich ist ; in diesem Fall werden nur auf dieser Seite die Rohrbündel angeordnet, während auf der andern Seite die Rohre 1 ohne Abzweigung durchlaufen.
Auch bei einseitiger Anordnung der Rohrbündel ist es möglich, eine sehr viel grössere Wärmeaustauschfläche unterzubringen, als mit bekannten Bauformen bisher erreichbar war.
Bei der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 gehen die Rohrbündel jeweils abwechselnd von einander gegenüberliegenden Rohren 1 aus, so dass von gleichen Rohren ausgehende Rohrbündel in gleichen senkrechten Ebenen liegen.
In Fig. 3 ist ebenfalls teils im Schnitt und teils in Ansicht ein anderer Aufbau der Wärmeaustauschflächen dargestellt. Hiebei sind jeweils benachbarte, aus den Rohren 3 gebildete Rohrbündel in der Höhe versetzt zueinander angeordnet, wie auch aus Fig. 4, die einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3 wiedergibt, hervorgeht. Durch diese Anordnung erhält man nicht nur eine wesentlich grössere Wärmeaustauschfläche im Vergleich zu Fig. 2, sondern die in Richtung der Pfeile 5 strömenden Gase werden auch stärker abgelenkt, wodurch deren Durchwirbelung und damit der Wärmeübergang erhöht werden.
Fig. 5 ist ein Horizontalschnitt nach der Linie V-V der Fig. 3. Wie hieraus zu entnehmen ist, werden bei dieser Anordnung der Rohrbündel die jeweils an gegenüberliegenden Wänden angeordneten Zuleitungs- rohre 1 versetzt zueinander angeordnet, so dass zusätzliche Biegungen der Rohre 3, um das kammartige Ineinandergreifen der Rohrbündel zu ermöglichen, vermieden werden.
In Fig. 6 ist eine Abwandlung in der Anordnung der Rohrbündel gegenüber der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Anordnung dargestellt, indem die Rohrbündel alle auf gleicher Höhe liegen.
In den Fig. 7-12 ist gezeigt, auf welche Weise die Rohrbündel abgestützt werden können. Eine solche Abstützung ist im allgemeinen nur dann nötig, wenn die Rohre 1 weiter voneinander entfernt sind, d. h. wenn die Rohre 3 der Rohrbündel lange Horizontalstrecken aufweisen. In Fig. 7 und 8, letztere stellt einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7 dar, wird die Abstützung dadurch erreicht, dass Flacheisen 6 senkrecht zur Ebene der in ihrer Höhe zueinander versetzten Rohrbündel eingeschoben werden.
Sollen die Rohrbündel herausgenommen werden, ist es notwendig, die Flacheisen 6 vorher zu entfernen.
Die Rohrbündel liegen mit ihren freien Enden auf den Flacheisen auf. Eine weitere Möglichkeit zur Halterung der Rohrbündel zeigt die Fig. 9 auf, wo ein Flacheisen 7 an den Rohren 3 eines Rohrbündels angeschweisst und oben umgebogen ist, wobei der so gebildete Haken auf einem Rohr 3 des benachbarten Rohrbündels aufliegt. Die Aufhängung nach Fig. 10 ist in ähnlicher Weise ausgebildet. Die Fig. 9 und 10 sind senkrechte Schnitte nach den Linien IX-IX und X-X der Fig. 7, wobei für diese Darstellung weiterer Abstützmöglichkeiten die Flacheisen 6 weggelassen wurden. An Stelle der gezeigten Aufhängung ist auch eine Abstützung möglich, wobei von dem Flacheisen 7 (Fig. 9) unten eine Stütze zu einem benachbarten Rohr 3 geführt wird.
Fig. 11 zeigt eine andere Art der Abstützung, indem zwischen die einzelnen Rohre 3 eines Rohrbündels Distanzstücke 8 eingefügt sind, die etwa T-förmige Gestalt haben. Die Unterkante des oberen T-Querstückes liegt dann auf der Oberkante eines im benachbarten und zum ersten Rohrbündel in der Höhe versetzten Rohrbündels angeordneten, ebenfalls T-förmigen Distanzstückes auf.
Eine weitere Art der Abstützung ist in Fig. 12 gezeigt, wo nur an den beiden unteren Rohren 3 eines Rohrbündels ein Flacheisen 9 befestigt ist, das eine Konsole oder Nase 10 hat, durch welche ein Rohr 3 des benachbarten Rohrbündels unterstützt wird. Die Rohrbündel können auch an der ihren freien Enden zugekehrten Wand des Zuges aufgehängt oder abgestützt sein oder, bei entsprechender Anordnung
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der Rohrbündel, z. B. unter einem Winkel zur Wand, von der sie ausgehen, auf ein Rohrbündel, das tiefer liegt, aufgelegt sein.
In den Fig. 13 und 14 ist gezeigt, dass die Rohre 1 untereinander alle durch ein Querrohr 11 verbunden sind, das jeweils zwischen zwei von einem gemeinsamen Rohr 3 ausgehenden Rohrbündeln angeordnet ist.
Dieses Querrohr 11 begünstigt eine Mischung des aus den darunterliegenden Rohrbündeln zugeführten, unter Umständen verschiedene Temperaturen aufweisenden Mediums vor Eintritt in die höher gelegene Wärmeaustauschfläche. Diese Mischung kann noch durch im Querrohr 11 angeordnete Einbauten verbessert werden. Auch können diese Querrohre zur Abstützung der Rohrbündel als Auflager herangezogen werden.
Die der Querströmung der Gase ausgesetzten Rohrstrecken können waagrecht angeordnet sein, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Strömung in diesen Rohren zum Erliegen kommt oder dass sich Dampfblasen an der Rohrwandung ansetzen. Diese Gefahren bestehen dadurch nicht, dass, wie in den Beispielen gezeigt, zwischen dem Aus- und Eintritt der U-förmigen Rohre 3 im Rohr 1 eine Drosselstelle 12 angeordnet ist. Diese kann aus einer Scheibe mit einem Loch in der Mitte (Fig. 13 und 14, rechtes Rohr 1) oder mit einem segmentförmigen Ausschnitt (Fig. 13 und 14, linkes Rohr 1) bestehen. Im letzten Fall wird die Öffnung vorzugsweise auf der dem Zug 4 zugewandten Rohrseite angeordnet. Wird in den Rohren 3 z.
B. ein Medium geführt, das verdampft werden soll, so tritt durch die Drosselstelle der im Gemisch enthaltene Dampf, während das Wasser gezwungen wird, in die Rohre 3 einzutreten und diese zu durchströmen.
In Fig. 15 ist als Beispiel für einen Wärmeaustauscher ein Abhitzekessel gezeigt. Die Abgase treten beiJ
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Der Zug 4'des Abhitzekessels ist von den Rohren 1 allseitig ausgekleidet. Von zwei einander gegenüberliegenden Wänden gehen die aus U-förmigen Rohren 3 gebildeten Rohrbündel aus und ragen in den Gaszug 4' hinein. Die Rohrbündel sind im gezeigten Beispiel so an ihren zugehörigen Zuleitungsrohren 1 angeschlossen, dass der Grad der Erwärmung der Flüssigkeit am Ende der jeweiligen Zuleitungsrohre annähernd gleich ist. In den Rohren 1 sind wiederum Drosselstellen 12 angeordnet.
Der Abhitzekessel ist als Dampfkessel ausgebildet. Die Rohre 1 gehen von unteren Verteilern 15 aus und münden in obere Sammler 16 ein, die mit der Dampfabscheidetrommel17 teils unmittelbar, teils durch Überströmrohre 18 verbunden sind. Die Verteiler 15 werden durch Fallrohre 19 und Rücklaufrohre 20 mit Wasser versorgt. Wie das Beispiel weiter erkennen lässt, münden die Rohre 3 der Rohrbündel unterhalb des Wasserspiegels in der Dampfabscheidetrommel in ihre zugehörigen Rohre 1 ein. Ein Stehenbleiben von Dampf in den Rohren der Wärmeaustauschflächen ist somit nicht möglich.
In Fig. 16 und 17 ist als weiteres Beispiel eines Wärmeaustauschers ein Heisswasserkessel in einander zugeordneten senkrechten Schnitten gezeigt. Dem Zug 4", in dem die aus Rohren 3 gebildeten Wärme-
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ausgekleidet ist. Die Rohre 22 gehen von einem Verteiler 23 aus und münden in einen Sammler 24 ein, von dem das heisse Wasser über den Stutzen 25 dem Heizungssystem zugeführt wird. Verteiler 23 und Sammler 24 sind Teile eines aus Rohren bestehenden Traggerüstes für die Heizflächen. Der Zug 4" ist einerseits von den Feuerraumrückwandrohren und den Rohren 26 ausgekleidet, anderseits von den Rohren 1, von denen wiederum die Rohre 3 der Wärmeaustauschflächen abgehen und in welche diese oberhab einer Drosselstelle 12 auch wieder einmünden.
Die Rohre 1 gehen von einem Verteiler 27 aus, der unmittelbar an die Rücklaufleitung 28 des Heizungssystem angeschlossen ist. Sie münden in oben liegende Sammler 29 ein, in welche auch die Rohre 22 der Feuerraumseitenwände einmünden und welche über die Rücklaufrohre 30 mit den unten liegenden Verteilern 23, 31 und 32 verbunden sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeaustauscher, bei dem eine Flüssigkeit im Innern von einzelnen parallel zueinander liegenden, zu Rohrbündeln zusammengefassten und einer Beheizung ausgesetzen Rohren, welche im Arbeitsmittelstrom parallelgeschaltet sind und deren der Querströmung des erwärmenden Mediums ausgesetzte einfache Rohrstrecke ein Mehrfaches von der dem Parallelstrom ausgesetzten Rohrstrecke beträgt, erwärmt oder verdampft wird und wobei die Rohrbündel an lotrechte oder annähernd lotrechte, die Wände eines Zuges verkleidende Rohre angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils von einem lotrechten oder annähernd lotrechten, an geweils gegenüberliegenden Wänden des vornehmlich vertikal durchströmten
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gebildete Rohrbündel (3) ausgehen,
die im Arbeitsmittelstrom hintereinandergeschaltet an ihr jeweiliges lotrechtes Rohr (1) angeschlossen sind, so dass die Austrittsenden des einen Rohrbündels und die Eintrittsenden des folgenden Rohrbündels in einem von Drosselstellen begrenzten Rohrstück münden.