AT507528B1 - Wärmetauscher für einen heizkessel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) für einen Heizkessel (2) mit wenigstens einem Wärmetauscherrohr (3) mit einer zumindest annähernd vertikalen Abgasführung, wobei dem Wärmetauscherrohr (3) wenigstens ein Leiteinsatz (4) für die Abgasströmung (5) zugeordnet ist. Um vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der in das Wärmetauscherrohr (3) eingesetzte Leiteinsatz (4) ein den Wärmetauscherrohrquerschnitt in wenigstens zwei Züge (13, 14) für das Abgas unterteilendes Profil (15) umfasst, von dem in die Züge (13, 14) vorragende Stege (16) abragen und wobei das Profil (15) vorzugsweise mit einander diametral gegenüberliegenden Führungsflächen (17) in das Wärmetauscherrohr (3) eingesetzt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT507 528B1 2013-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen Heizkessel mit wenigstens einem Wärmetauscherrohr mit einer zumindest annähernd vertikalen Abgasführung, welchem Wärmetauscherrohr wenigstens ein Leiteinsatz für die Abgasströmung zugeordnet ist.

[0002] Bei derartigen bekannten Wärmetauschern (AT 5 587 U1) ist ein Kessel mit einem Gehäuse aus einem zylindrischen Mantel und mit zwei den Mantel stirnseitig abschließenden Stirnwänden vorgesehen. Des Weiteren umfasst dieser Wärmetauscher ein das Gehäuse von Stirnwand zu Stirnwand durchsetzendes Rohrbündel, dessen von den Rauchgasen eines Brenners durchströmte Rohre mit gegenseitigem Abstand über die Stirnwände verteilt angeordnet sind. Der Bereich im Gehäuse zwischen den einzelnen Rohren des Rohrbündels wird von einem zu erwärmenden Wärmeträgerfluid durchströmt. Die einzelnen Wärmetauscherrohre nehmen in der Rauchgasströmung wendeiförmige Einsätze auf, welche einerseits zur Verwirbelung der Rauchgasströmung dienen und anderseits zur Reinigung der Abgasrohrinnen-mäntel mit einem Hebelgestänge axial entlang der Wärmetauscherlängsachse verlagert werden können. Zu diesem Zweck ist eine Betätigungswelle vorgesehen, die mit Hilfe eines Hebels betätigt werden kann und dabei die wendeiförmigen Einsätze über das Hebelgestänge hebt und senkt. Der Durchmesser der wendeiförmigen Einsätze entspricht dabei insbesondere dem Querschnitt der rohrförmig ausgebildeten Rauchgaszüge.

[0003] Bei den bekannten Vorrichtungen durchströmt das in einem Heizkessel generierte Verbrennungsgas die Wärmetauscherrohre unter Abgabe der Wärme an ein zu erwärmendes Wärmeträgerfluid, insbesondere Wasser, welches an einen Heizkreislauf oder an einen Speicher angeschlossen ist. Beim Durchströmen der Wärmetauscherrohre setzt sich aus dem Verbrennungsgas Flugasche am Wärmetauscher an der Innenmantelfläche ab, welche Flugasche durch entsprechende Verlagerung der Leiteinsätze von den Wärmetauscherflächen abgelöst und in einen Aschekasten abgeschabt werden kann. Dies ist insbesondere deshalb vorgesehen, da ein sich auf der Rohrinnenseite absetzender Belag wie eine Isolierschicht wirkt, welche den Wärmestrom vom Verbrennungsgas auf das Wärmeträgerfluid verringert. Zu diesem Zweck sind die bekannten wendeiförmigen Leiteinsätze vorgesehen, die durch vertikale Bewegungen an der Innenfläche der Wärmetauscherrohre die angelegten Ascheprodukte abschaben, die schwerkraftbedingt in einen Aschekasten abfallen und aus diesem gegebenenfalls mit einer Förderschnecke oder dgl. ausgetragen werden können.

[0004] Bei den bekannten wendeiförmigen bzw. federförmigen oder schneckenförmigen Leiteinsätzen wird das Rauchgas wendeltreppenförmig von unten, vom einströmseitigen Ende zum ausströmseitigen Ende der Abgasrohre hin, praktisch verwirbelungsfrei geleitet, wodurch zwar die Verweilzeit in Wärmetauscherrohren durch abbremsen der Strömungsgeschwindigkeit erhöht und eine bessere Wärmeübertragungsrate erzielt wird. Durch diese Anordnung der Leiteinsätze wird der Rauchgasstrom zu wendeiförmigen Richtungsänderungen im Wärmetauscherrohr gezwungen, wodurch eine Abscheidung von Flugasche und Feinstaub begünstigt wird. Das Problem dieser Vorrichtungen liegt darin, dass sich die abgeschiedene Flugasche an den Flanken der Schnecken anlagert und aufgrund der Schneckengeometrie nicht mehr zur Gänze nach unten in den Aschekasten abfallen kann. Dies bedingt einen erhöhten Verschleiß von Leiteinsatz und Wärmetauscherrohren und hat zudem zufolge, dass gegebenenfalls eine Blockierung des Antriebes auftreten kann.

[0005] Ausgehend von einem Stand der Technik der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher mit verbesserter Wärmeübertragungsrate zu schaffen, bei dem ein sauberer Austrag der Flugasche aus einem Wärmetauscherrohr möglich ist.

[0006] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der in das Wärmetauscherrohr eingesetzte Leiteinsatz ein den Wärmetauscherrohrquerschnitt in wenigstens zwei Züge für das Abgas unterteilendes Profil umfasst, von dem in die Züge vorragende Stege abragen und wobei das Profil vorzugsweise mit einander diametral gegenüberliegenden Führungsflächen in das 1 /6 österreichisches Patentamt AT507 528B1 2013-01-15 Wärmetauscherrohr eingesetzt ist.

[0007] Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die von dem sich über den Durchmesser der Wärmetauscherrohr erstreckenden Profil abstehenden Stege eine entsprechende Verwirbelung des Abgasstromes zur Folge haben, was einen verbesserten Wärmeübertritt und somit eine verbesserte Energieausbeute zur Folge hat. Der Abgasstrom tritt dabei durch Spalte zwischen Wärmetauscherrohrinnen-mantel und Stegen hindurch, wodurch dem Abgasstrom eine turbulente Strömung aufgeprägt wird. Des Weiteren ist durch diese Maßnahme gewährleistet, dass ausfallender Ruß und Ascheteilchen jederzeit ungehindert durch den Spalt zwischen Wärmetauscherrohrinnenmantel und Stegen in den Aschekasten abfallen können.

[0008] Eine besonders gute Durchwirbelung des Abgasstromes ergibt sich dabei, wenn die Stege unter einem Winkel von 1-90°, vorzugsweise von 20-70° gegen die Strömungsrichtung des Abgases in die Züge vorragen. Durch diese Merkmale wird das Abgas besonders stark verwirbelt und noch mehr Wärmeenergie an das Wärmeträgerfluid übertragen. Der Wirkungsgrad und die Effizienz der Anlage steigen somit. Durch die sich dabei ergebende dachförmige Anordnung der Stege wird zudem ein Teil der Flugasche abgefangen, die aufgrund der Dachform ungehindert über die Flanken der Stege abrutschen und in den Aschekasten fallen kann.

[0009] Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, wenn das Abgasrohr mit seinem unteren, ein-strömseitigen Ende in eine Abscheidekammer für Feststoffe vorragt. Dieser Abscheidekammer können bekannte Austragseinrichtungen, wie insbesondere Austragsschnecken oder dgl. zugehören.

[0010] Um bei dem verbesserten Wärmeübergang durch die Verwirbelung des Abgasstromes infolge der Stege auch eine verbesserte Austragung der am Rohrinnenmantel anhaftenden Asche und Rußpartikel gewährleisten zu können, empfiehlt es sich, wenn dem Leiteinsatz ein Drehantrieb zugehört, mit dem das Profil samt Stegen um die Wärmetauscherrohrlängsachse drehverstellbar ist. Zur Verbesserung der Reinigungswirkung kann der Leiteinsatz des Weiteren natürlich auch, wie aus dem Stand der Technik bekannt, zusätzlich in Richtung der Wärmetauscherrohrlängsachse verstellbar sein.

[0011] Um dabei ein Klemmen, insbesondere durch Materialdehnung infolge des heißen Abgasstromes, zu vermeiden, der Einsatz ist ja mit höheren Temperaturen beaufschlagt als das vom Wärmeträgerfluid umgebene Wärmetauscherrohr, empfiehlt es sich, wenn die Profile mit einem Spiel von wenigstens 1 mm bei Raumtemperatur in das Wärmetauscherrohr eingesetzt sind. Zur Verbesserung der Reinigungsleistung kann das Profil an seinen dem Abgasrohrinnenmantel zugewandten Führungsflächen mit dem Abgasrohrinnenmantel zusammenwirkende Feststoffschaber ausbilden oder aufnehmen. Diese Feststoffschaber können insbesondere von den gehärteten Führungsflächen ausgebildet sein, oder aber das Profil nimmt entsprechende Schaber im Bereich der Führungsflächen auf.

[0012] Da sich die Dichte des Abgases beim Durchwandern des Wärmetauscherrohres von unten nach oben hin aufgrund seiner Abkühlung erhöht, empfiehlt es sich, um dem Abgas möglichst viel Wärme entnehmen zu können, wenn der Abstand zwischen den einzelnen Stegen nach oben hin, also vom einströmseitigen Ende zum ausströmseitigen Ende der Abgasrohr hin, abnimmt. Durch das Abnehmen der Dichte verringert sich die Geschwindigkeit des Rauchgases am Ende des Abgasrohres stärker als am Beginn des Wärmetauscherrohres, wodurch die Verweildauer des Abgases im Wärmetauscherrohr erhöht und somit die Wärmeabgabeleistung verbessert wird.

[0013] Besonders einfache Konstruktionsverhältnisse für den erfindungsgemäßen Leiteinsatz ergeben sich, wenn das Profil aus einem Blech besteht und wenn die Stege von aus dem Blech freigeschnittenen bzw. freigestanzten und aus der Blechebene ausgebogenen Blechabschnitten bestehen. Alternativ dazu kann das Profil aus zwei aneinander anliegenden Blechen bestehen und können die Stege aus von den Blechen freigeschnittenen bzw. freigestanzten und aus den Blechebenen entgegengesetzt ausgebogenen Blechabschnitten bestehen. Um dabei einen 2/6 österreichisches Patentamt AT507 528B1 2013-01-15

Druckausgleich zwischen den einzelnen Zügen zu gewährleisten, können die sich dabei ergebenden Durchbrüche beider Bleche vorzugsweise deckungsgleich übereinander liegen.

[0014] In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt. Es zeigen: [0015] Fig. 1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Querschnitt, [0016] Fig. 2 u. 3 ein Wärmetauscherrohr mit Leiteinsatz aus Fig. 1 in teilgeschnittener Seiten ansicht bzw. Vorderansicht und [0017] Fig. 4 eine Konstruktionsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres mit Leiteinsatz im Längsschnitt.

[0018] Ein Wärmetauscher 1 für einen nur ausschnittsweise dargestellten Heizkessel 2 umfasst mehrere Wärmetauscherrohre 3 mit einer vertikalen Abgasführung, welchem Wärmetauscherrohr 3 je ein Leiteinsatz 4 für den Abgasstrom 5 zugeordnet ist. Die Wärmetauscherrohre 3 sind in einem Wärmetauschergehäuse 6 angeordnet, das stirnseitig von Abdeckblechen 7 und 8 abgeschlossen ist. Zwischen diesen beiden Abdeckblechen 7 und 8 erstrecken sich die Wärmetauscherrohre 3, die mit einem einströmseitigen Ende 9 in einen Aschekasten 10 und mit einem abströmseitigen Ende 11 in einen nicht näher dargestellten Kamin 12 münden.

[0019] Der in das Wärmetauscherrohr 3 eingesetzte Leiteinsatz 4 ist ein den Wärmetauscherquerschnitt in wenigstens zwei Züge 13, 14 unterteilendes Profil 15, von dem in die Züge 13, 14 vorragende Stege 16 abragen, wobei das Profil 15 mit einander diametral gegenüberliegenden Führungsflächen 17 in das Wärmetauscherrohr 3 eingesetzt ist. Die Stege 16 ragen gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel α von 45°gegen die Strömungsrichtung 18 des Abgases in die Züge vor.

[0020] Dem Leiteinsatz 4 gehört ein nur angedeuteter Drehantrieb 19 zu, mit dem das Profil 15 samt den Stegen 16 um die Wärmetauscherrohrlängsachse 20 drehverstellbar ist. Insbesondere Fig. 2 ist dabei zu entnehmen, dass die Profile 15 mit Spiel, insbesondere bei Raumtemperatur, in das Wärmetauscherrohr 2 eingesetzt sind. Die dem Abgasrohrinnenmantel zugewandten Führungsflächen des Profils 15 bilden dabei Feststoffschaber für den Abgasrohrinnenmantel aus, welche Feststoffschaber bei einem entsprechenden Drehantrieb der Leiteinsätze 4 Ablagerungen an der Abgasrohrinnenmantelfläche abschaben, welche Ablagerungen über die dachförmig angeordneten Stege 16 ungehindert in die Abscheidekammer 10 ausgetragen werden können. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Stege 16 ergibt sich eine Verwirbelung des Abgasstromes, wie dies insbesondere in Fig. 3 angeordnet ist, wodurch ein verbesserter Wärmeübergang vom Abgasstrom auf das Wärmeträgerfluid F gewährleistet ist.

[0021] Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 besteht das Profil 15 aus einem Blech und bestehen die Stege 16 aus aus dem Blech freigeschnittenen bzw. freigestanzten und aus der Blechebene ausgebogenen Blechabschnitten, die wechselweise in den einen bzw. in den anderen Zug 13, 14 vorragen. Eine verbesserte Verwirbelung ergibt sich allerdings durch die Ausgestaltungsvariante nach Fig. 1 bis 3, wobei das Profil 15 aus zwei aneinanderliegenden Blechen steht und wobei die Stege 16 aus von den Blechen freigeschnittenen bzw. freigestanzten und aus den Blechebenen entgegengesetzt ausgebogenen Blechabschnitten bestehen. Die sich dabei ergebenden Durchbrüche 21 beider Bleche liegen dabei deckungsgleich übereinander. 3/6

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT507 528B1 2013-01-15 Patentansprüche 1. Wärmetauscher für einen Heizkessel mit wenigstens einem Wärmetauscherrohr mit einer zumindest annähernd vertikalen Abgasführung, wobei dem Wärmetauscherrohr wenigstens ein Leiteinsatz für die Abgasströmung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der in das Wärmetauscherrohr (3) eingesetzte Leiteinsatz (4) ein den Wärmetauscherrohrquerschnitt in wenigstens zwei Züge (13, 14) unterteilendes Profil (15) umfasst, von dem in die Züge (13, 14) für das Abgas vorragende Stege (16) abragen, wobei das Profil (15) vorzugsweise mit einander diametral gegenüberliegenden Führungsflächen (17) in das Wärmetauscherrohr (3) eingesetzt ist und wobei die Stege (16) unter einem Winkel (a) von 20 bis 70“gegen die Strömungsrichtung (18) des Abgases in die Züge (13,14) vorragen.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leiteinsatz (4) ein Drehantrieb (19) zugehört, mit dem das Profil (15) samt Stegen (16) um die Wärmetauscherrohrlängsachse (20) drehverstellbar ist.
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (15) mit einem Spiel von wenigstens 1 mm bei Raumtemperatur in das Wärmetauscherrohr (3) eingesetzt ist.
4. 4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (15) an seinen dem Abgasrohrinnenmantel zugewandten Führungsflächen (17) mit dem Ab-gasrohrinnenmantel zusammenwirkende Feststoffschaber ausbildet.
5. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den einzelnen Stegen (16) nach oben hin, also vom einströmseitigen Ende (9) zum ausströmseitigen Ende (11) der Abgasrohre (3) hin, abnimmt.
6. 6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (15) aus einem Blech besteht und dass die Stege (16) von aus dem Blech freigeschnittenen bzw. freigestanzten und aus der Blechebene ausgebogenen Blechabschnitten bestehen.
7. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (15) aus zwei aneinander anliegenden Blechen besteht und dass die Stege (16) aus von den Blechen freigeschnittenen bzw. freigestanzten und aus den Blechebenen entgegengesetzt ausgebogenen Blechabschnitten bestehen.
8. 8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sich dabei ergebenden Durchbrüche (21) beider Bleche deckungsgleich Übereinanderliegen. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6