AT397859B - Wärmetauscher - Google Patents

Description

AT 397 859 B

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit mindestens einem von einem Medium, insbesondere Wasser, durchströmten, im wesentlichen waagrecht verlaufenden und von außen mit Wärme, insbesondere heissen Brenngasen, beaufschlagten Rohr, welches im Innern zumindest abschnittsweise mit einer Isolierung versehen ist.

Bei Wärmetauschern ergibt sich stets das Problem, die Geräteleistung, d. h. die zugeführte Wärmemenge, auf das zu erwärmende Medium bei allen Betriebsbedingungen ohne das Entstehen von Siedegeräuschen zu übertragen. Bei den bekannten Lösungen wird wasserseitig im Rohr ein hoher Wärmeübergangswert, durch entsprechende Einbauten angestrebt.

Dies führt dazu, daß die Temperatur an der Außenseite des Rohres stark absinkt und stellenweise den Wasserdampf-Taupunkt unterschreitet. Dabei sind besonders jene Bereiche des Rohres gefährdet, die aufgrund der Geometrie des Wärmetauschers und den thermodynamischen Verhältnissen auf der Beaufschlagungsseite und der Seite des zu erwärmenden Mediums wenig am Wärmeübergang teilnehmen.

Das bei einer Taupunkt-Unterschreitung sich bildende Kondensat wirkt, wenn die Wärme durch Verbrennunggase zugeführt wird, in der Regel stark korrodierend und führt zu einer raschen Beschädigung der üblicherweise auf den Rohren aufgebrachten Schutzschicht des Wärmetauschers, was in weiterer Folge zu einer Zerstörung des Wärmetauschers führt. Außerdem kann es durch das Abtropfen des Kondensates von den Rohren zu einer Verschmutzung und einer Beschädigung von unter dem Wärmetauscher angeordneten Gegenständen kommen.

Gemäß der DE-OS 33 06 800 wird vorgeschlagen, einen Temperaturausgieich innerhalb des Wärmetauschers dadurch zu erreichen, daß der Rohrquerschnitt in mehrere Durchströmkanäle aufgeteilt wird und außerdem auch noch unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen hinsichtlich Absorptions- und Reflek-tionsvermögen auf die zugeordneten Rohre und Abschnitte aufzubringen. Nachteilig hierbei ist vor allem der komplizierte Aufbau der Trennwände, die das Wärmetauschrohr im Bereich seiner gesamten Längserstrek-kung durchsetzen soll, und daß zur Verstärkung des Effekts noch zusätzliche Beschichtungen erforderlich sind.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem eine Taupunkt-Unterschreitung sicher vermieden ist, wobei insbesondere ein einfacher Aufbau anzustreben ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Isoliereinlage mindestens abschnittweise direkt an der Innenwand des Rohres anliegt oder durch Abstandshalter gehalten ist.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß es zwischen dem im Inneren des Rohres strömenden zu erwärmenden Medium und der mit Wärme, z. B. durch Verbrennungsgase beaufschlagten Außenseite der Rohre zu einer entsprechend höheren Temperaturdifferenz aufgrund des durch die Isoliereinlage verschlechterten Wärmeübergangwertes kommt. Dies führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Temperatur an der Außenseite des Rohres, wodurch eine Unterschreitung des Taupunktes vermieden wird.

Die Isoliereinlage kann aus einem Material mit geringer Leitfähigkeit, z. B. einem Kunststoff, hergestellt sein.

Dadurch wird auf einfache Weise der Wärmeübergangswert zumindest örtlich entsprechend verschlechtert. Es kann ein isolierender Werkstoff, vorzugsweise ein Kunststoff mit offener oder geschlossener Struktur verwendet werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Isoliereinlage durch ein in das Rohr eingesetztes, vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material hergestelltes Innenrohr gebildet ist, zwischen dessen Außenwand und der Innenwand des Rohres zumindest abschnittsweise ein Spalt verbleibt, wobei der Querschnitt des Innenrohres vorzugsweise von jenem des Rohres abschnittsweise abweicht.

Bei dieser Variante ergibt sich zwischen dem Innenrohr und dem Rohr zumindest abschnittsweise ein Luftspalt, der als Isolierung wirkt und dadurch eine zu weite Abkühlung des Rohres durch das zu erwärmende Medium verhindert, wodurch sich eben eine entsprechend hohe Temperatur der Außenseite des Rohres ergibt.

Vorzugsweise ist der Spalt zwischen dem Rohr und dem Innenrohr im oberen Bereich des Querschnittes des Rohres angeordnet.

Weiters kann auch vorgesehen sein, daß in dem Rohr eine Isoliereinlage mit im wesentlichen runden Querschnitt eingesetzt ist, die entlang seitlicher Mantellinien an der Innenwand des Rohres anliegt oder mit dieser verbunden ist, wobei zwischen den mit der Wand des Rohres verbundenen Abschnitten der Isoliereinlage und der Innenwand des Rohres ein Spalt verbleibt, oder, daß in dem Rohr eine Isoliereinlage angeordnet ist, die im Querschnitt vorzugsweise eine gleichbleibende Dicke aufweist, und mit einer Querschnittskrümmung versehen ist, deren Radius größer als jener des Rohres in diesem Bereich ist, und die entlang ihrer Längsränder an der Innenwand des Rohres anliegt oder mit dieser verbunden ist. 2

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In beiden Fällen kommt es ebenfalls zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Innenwand des Rohres und der Isoliereinlage, die aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann weiters vorgesehen sein, daß die Isoliereinlage im oberen Bereich des Querschnittes der Rohre angeordnet sind. 5 Auf diese Weise wird insbesondere der Bereich des Rohres gegen ein zu weites Absinken der Temperatur an seiner Außenwand geschützt, der von den von unten nach oben strömenden Brenngasen am wenigsten beaufschlagt wird.

Dies trifft auch zu, wenn der Spalt zwischen dem Rohr und dem Innenrohr im oberen Bereich des Querschnittes des Rohres angeordnet ist. Auch in diesem Falle wird durch Erhöhung des Wärmeüber-70 gangswiderstandes im oberen Bereich des Querschnittes des Rohres ein zu weites Absinken der Temperatur der Außenseite des Rohres verhindert.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 6 Querschnitte von Rohren für erfindungsgemäße Wärmetauscher, und Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein Rohr für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher. 75 Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 ist im oberen Bereich des Querschnittes des Rohres 1, das zur Verbesserung des Wärmeüberganges, bzw. zur Verbesserung der Beaufschlagung mit Brenngasen einen ovalen Querschnitt aufweist, eine Isoliereinlage 2 angeordnet, bzw. mit der Innenwand des Rohres 1 verbunden. Grundsätzlich ist aber der ovale Querschnitt des Rohres 1 nach der Fig. 1 nicht unbedingt erforderlich und die Isoliereinlage 2 kann auch in einem anderen Bereich des Querschnittes des Rohres 1 20 angebracht sein, z.B. auch im unteren Bereich des Rohrquerschnittes.

Die Isoliereinlage 2 kann, zweckmäßigerweise unter Verwendung einer in das Rohr 1 eingeschobenen Form, in das Rohr 1 eingschäumt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Aufbringung einer Isoliereiniage 2 an der Innenwand des Rohres 1 ist in der Fig. 2 dargestellt und besteht darin, in dieses eine erhärtende Masse, z.B. ein Harz einzugießen, wobei 25 durch Einführen eines, in der Fig. 2 strichliert dargestellten, entsprechenden Formteiles 3 in das Rohr 1 sichergestellt werden kann, daß es zu einer im Querschnitt segmentartigen Ausbildung der Isoliereinlage 2 kommt. Dabei ist es auch durch entsprechende Ausbildung des Formteiles möglich die Dicke der Isoliereinlage 2 über deren Querschnitt zu variieren.

Dies ermöglicht eine Anpassung des Wärmeübergangswiderstandes an die Beaufschlagung des Rohres 30 1 an seiner Außenseite mit Brenngasen oder einem anderen strömenden, Wärme abgebenden Medium, wobei aufgrund der sich ändernden Dicke der Isoliereinlage 2, der Wärmeübergangswiderstand von der Außenseite des Rohres 1 zum in seinem Inneren strömenden Wärme aufnehmenden Medium umso größer wird, je geringer die örtliche Beaufschlagung des Rohres 1 mit Wärme ist.

Grundsätzlich wäre es auch möglich eine Isoliereinlage 2 mit einem im wesentlichen segmentförmigen 35 Querschnitt vorzusehen.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 sind die Isoliereinlagen 2 aus einem Material mit hohem Wärmeübergangswiderstand hergestellt, wie z.B. Kunststoffe mit poriger Struktur, wobei es sich sowohl um offenporige als auch um geschlossenporige Kunststoffe handeln kann, wie z.B. POM, PE, PTFE.

Bei der Ausführungsform nach der Hg. 3 kann die Isoliereinlage 2'auch aus einem Material mit guter 40 Wärmeleitung, wie z.B. Stahl- oder Kupferblech bestehen. Allerdings ist die Isoliereinlage 2', abgesehen von Abstandhaltern 3, in einem geringen Abstand von der Innenwand des Rohres 1 gehalten, wobei die Abstandhalter 3 z.B. durch kleine an der Außenseite der Isoliereiniage 2' angeformte Noppen gebildet sein können.

Aufgrund dieser Abstandhalter 3 verbleibt zwischen der Innenwand des Rohres 1 und der Außenseite 45 der Isoliereiniage ein Spalt 4, der z.B. in der Größe von ca. 1mm liegen kann. Aufgrund der durch die Enge des Spaltes bedingten relativ hohen Wandreibung des strömenden Mediums an der Wand des Rohres 1 und der isoliereiniage 2' und bzw. oder eines zusätzlichen Versperrens des Spaltquerschnittes kann das Medium diesen Spalt nur entsprechend langsam durchströmen und kann daher in diesem nur wenig Wärme von dem Rohr 1 abführen, sodaß diesem im Bereich der Isoliereiniage 2' nur wenig Wärme so entzogen wird. Aus diesem Grunde ergibt sich an der Außenseite des Rohres 1 trotz deren in diesem Bereich geringeren Wärmebeaufschlagung eine entsprechend hohe Temperatur, sodaß ein Unterschreiten des Taupunktes sicher vermieden wird.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 4 ist in das Rohr 1 ein, die Isoliereiniage bildendes Innenrohr 5 eingeschoben, das einen vom lichten Querschnitt des Rohres 1 abweichenden Querschnitt aufweist. Dabei 55 liegt das Innenrohr mit Ausnahme des oberen Bereiches des Rohres 1 dicht an der Innenwand des Rohres 1 an, sodaß sich ein entsprechend guter Wärmeübergang ergibt, wobei das Innenrohr 5 aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material, z.B. Kupfer hergestellt ist, um einen guten Wärmeübergang von der Außenseite des Rohres 1 zum im Inneren des Innenrohres 5 strömenden zu erwärmenden Medium 3

Claims (6)

1. AT 397 859 B herzustellen. Durch die voneinander abweichenden Querschnitte des Rohres 1 und des Innenrohres 5 verbleibt im oberen Bereich des Querschnittes des Rohres 1 ein Spalt 4', der jedoch nicht vom zu erwärmenden Medium durchströmt ist, sondern in dem Luft als Isolierung wirkt. Damit wird ebenfalls sichergestellt, daß sich im oberen Bereich des Rohres 1 eine entsprechende Verschlechterung des Wärmeüberganges von der Außenseite des Rohres 1 zum im Inneren des Innenrohres 5 strömenden Medium ergibt und sich daher in weiterer Folge, trotz der im oberen Bereich des Rohres 1 geringeren Wärmebeaufschlagung desselben eine ausreichend hohe Temperatur an der Außenseite des Rohres 1 ergibt, um eine Unterschreitung des Taupunktes sicher zu verhindern. Durch eine entsprechende Gestaltung des Innenrohres 5 kann auch ein über die gesamte Rohrlänge gehender Spalt entstehen. Dies ergibt zum Rohr nach dar Fig.3 im wesentlichen weitgehend idente Verhältnisse. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 5 ist dem Rohr 1 eine Isoliereinlage 6 eingesetzt, die einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist und die die Innenwand des Rohres 1 berührt, bzw. mit dieser verbunden ist, wodurch ein Spalt 4" vom freien Querschnitt 7 abgetrennt wird. Dabei ergibt sich aufgrund des kleinen Querschnittes des Spaltes 4” in diesem ein wesentlich höherer Strömungswiderstand als im freien Querschnitt 7, sodaß das zu erwärmende Medium im Bereich des Spaltes 4" nur wenig Wärme von der Rohrwand aufnimmt, jedenfalls weniger als im Bereich des Querschnittes 7. Außerdem ist es auch möglich den Spalt 4" abzuschließen, sodaß die in diesem eingeschlossene Luft als Isolator wirkt und daher die Wand des Rohres 1 nur wenig Wärme über die Isoliereinlage 6 an das den Querschnitt 7 durchströmende Medium abgibt. Dadurch ergibt sich aber trotz der geringeren Wärmebeaufschlagung des Rohres 1 in diesem Bereich eine entsprechend hohe Tempratur an der Außenseite desselben, sodaß eine Unterschreitung des Taupunktes vermieden wird. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 6 ist eine in ihren seitlichen Randbereichen mit der Innenwand des Rohres 1 verbundene Isoliereinlage 8 eingebaut, wodurch ein Spalt 4"' vom Querschnittsabschnitt 7 des Rohres 1 abgetrennt ist. Dadurch ergeben sich im wesentlichen die gleichen Verhältnisse wie bei der Ausführungsform nach der Fig. 5. Die Isoliereinlage 8 weist dabei im Querschnitt einen größeren Radius als jener des Rohres 1 im Einbaubereich der Isoliereinlage 8 auf. Dabei sind Abstandhalter, wie sie bei der Ausführungsform nach der Fig. 3 vorgesehen sind nicht mehr erforderlich. Fig. 7 zeigt einen Längschnitt durch ein Rohr nach der Fig. 6, wobei aufgrund bestimmter Verhältnisse der Spalt 4’" im Einlaufereich weitgehend abgeschlossen ist. Grundsätzlich könnte dieser auch vollständig abgeschlossen sein. Im ersteren Falle kann die erwünschte langsame Durchströmung des Spaltes 4”’ durch Anbringung einer entsprechend kleinen Öffnung in Anströmquerschnitt oder in der Isoliereinlage 8 selbst, gewährleistet werden. Patentansprüche 1. Wärmetauscher mit mindestens einem von einem Medium, insbesondere Wasser, durchströmten, im wesentlichen waagrecht verlaufenden und von außen mit Wärme, insbesondere heissen Brenngasen, beaufschlagten Rohr, welches im Inneren zumindest abschnittweise mit einer Isolierungseinlage versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinlage (2) mindestens abschnittweise direkt an der Innenwand des Rohres (1) anliegt oder durch Abstandshalter (3) gehalten ist.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinlage (2) durch ein in das Rohr (1) eingesetztes, vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material hergestelltes Innenrohr (5) gebildet ist, zwischen dessen Außenwand und der Innenwand des Rohres (1) zumindest abschnittweise ein Spalt (4') verbleibt, wobei der Querschnitt des Innenrohres (5) vorzugsweise von jenem des Rohres (1) abschnittweise abweicht.
3. 3. Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinlage (2, 2') im oberen Bereich des Querschnittes des Rohres (1) angeordnet ist.
4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (4, 4', 4") zwischen dem Rohr (1) und dem Innenrohr (5) im oberen Bereich des Querschnittes dem Rohres (1) angeordnet ist.
5. 5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rohr (1) eine Isoliereinlage (6) mit im wesentlichen rundem Querschnitt eingesetzt ist, die entlang seitlicher Manteliinien an der Innenwand des Rohres (1) anliegt oder mit dieser verbunden ist, wobei zwischen den mit der Wand des 4 AT 397 859 B Rohres (1) verbundenen Abschnitten der Isoliereinlage (6) und der Innenwand des Rohres (1) ein Spalt (4'") verbleibt (Fig. 5).
6. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rohr (1) eine Isoliereinlage (8) angeordnet ist, die im Querschnitt vorzugsweise eine gleichbleibende Dicke aufweist und mit einer Querschnittskrümmung versehen ist, deren Radius größer als jener des Rohres (1) in diesem Bereich ist, und die entlang ihrer Längsränder an der Innenwand des Rohres (1) anliegt oder mit dieser verbunden ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5