Mit die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Elementen versehener Wärmeaustauscher Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit die Wärmeaustauschfläche vergrössern den Elementen versehenen Wärmeaustauscher, der eine metallische Grundwand besitzt, die bimetallische Elemente aufweist, die mit der Grundwand vereinigt sind, von dieser weg ragen und je aus einem Metallkern und einem Metallüberzug bestehen.
Die wirksamste Art, die @Wärmeaustausch- fläche eines Wärmeaustauschers zu vergrö ssern, besteht darin, eine Vielzahl von dicht beieinander und mit kleinen Abständen an geordneten draht- oder stabförmigen Elemen ten kleinen Durchmessers, die an der Grund wand befestigt sind, die die beiden Medien trennt, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll, vorzusehen. Der Vorteil die ser Ausführung ist in der schweizerischen Pa tentschrift Nr. 291905 erörtert.
Wie dort auseinandergesetzt ist, bestehen die draht- oder stabähnliehen Elemente aus einem Metall mit höher thermischer Leitfähig keit, vorzugsweise aus Kupfer oder Alumi nium.
Doch verursacht bei einem rasch verlau fenden Wechsel der Temperatur der Unter schied der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Stahl bzw. Stähllegierungen, aus denen die Grundwand vorzugsweise besteht, und Kupfer oder Aluminium als dem Werkstoff der die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Ele mente so grosse Wärmespannungen an den geschweissten Verbindungsstellen zwischen der Grundwand und jenen Elementen, dass @ diese Verbindungen rekristallisieren und brechen.
Das Problem, mit dem sich die Erfindung befasst, besteht nun darin, Wege zu finden, um die die Wärmeaustausclifläche vergrö ssernden Elemente gegen Oxydation und Kor rosion zu schützen, ohne ihre Wärmeleitfähig keit wesentlich zu beeinträchtigen, sowie Mit tel vorzusehen,: um die Rekristallisation und den Bruch der Verbindungsstellen zwischen den. die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Elementen und der Grundwand zu verhin dern.
Der Vorschlag des Plattierens der Ele mente mit einem die Oxydations- und Kor rosionsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen gewährleistenden Metall ist nicht annehmbar, allein schon wegen der hohen Kosten, da die Plattierung erfolgen müsste, nachdem alle Elemente an der Grundwand geschweisst sind.
Indessen wurde, unbeschadet der hohen Kosten, .festgestellt, dass das Plattieren mit verschiedenen, eine bessere Oxydations- und Korrosionsfestigkeit gewährleistenden Metal len ungenügend ist wegen der Schwierigkeit der Erzielung eines guten Plattierungsschut- zes an den Wurzeln, das heisst an den Stellen, wo die die Wärmeaustauschfläche vergrössern den Elemente an die Grundwand geschweisst sind, und weiter deshalb, weil die Plattierung bricht, wenn die Elemente in ihre Arbeitsstel lung gebogen werden.
Ein Legieren des Kup- fers zum Zwecke der Verbesserung der Oxy- dations- und Korrosionsfestigkeit kommt eben falls nicht in Betracht, weil dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Metalles erheblich ver ringert würde. Es leuchtet ein, dass, solange eine Lösung des Problems nicht gefunden war, solange diese an sich idealen, die Wärmeaus tausehfläche vergrössernden Elemente nur an Geräten, bei denen die Temperatur nicht zu hoch und die auftretenden Gase chemisch nicht zu ätzend waren, wie z. B. Warmwasser bereitern, verwendet werden konnten.
Der Wärmeaustauscher nach der vorlie genden Erfindung ist dadurch gekennzeich net, dass der Metallkern eine höhere Wärme leitfähigkeit hat als der Metallüberzug,- der dünner und widerstandsfähiger gegen Oxy dation und Korrosion als der Metallkern ist und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient an nähernd mit demjenigen der Grundwand übereinstimmt.
Die Grundwand, an der die die Wärme austauschfläche vergrössernden Elemente be festigt werden, kann die Form eines Rohres besitzen und aus Stahl oder dergleichen be stehen, was sich für die meisten Zwecke als ausreichend erwiesen hat. Auch der Überzug der Elemente kann aus Stahl bestehen, wobei der Metallkern derselben dann aus Kupfer oder Aluminium besteht.
An Hand der Zeichnung wird die Erfin dung in mehreren Ausführungsbeispielen er läutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wärmeaustauscher, der für die Verwendung bei Dampfkesseln bestimmt ist -Lind bei dem die die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Elemente sich auf der Aussenseite eines Roh res befinden, durch die das Kesselmedium i fliesst, Fig. 2 in grösserem Massstab einen Teil der Wand des Rohres der Fig.l,
zusammen mit einem der die Wärmeaustauschfläche vergrö ssernden Elemente vor dessen Vereinigung mit dem Rohr, Fig. 3 die Teile der Fig. 2 nach deren Ver einigung, Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform des Wärme- austauschers, der im besonderen geeignet ist für Geräte, bei denen die zum Wärmeaus tausch gelangenden Medien zu beiden Seiten einer Grundwand strömen und die die Wärme- aiistauschfläche vergrössernden Elemente eben falls zu beiden Seiten der Grundwand an geordnet sind,
Fig.5 eine dritte Ausführungsform, bei der die die Wärmeaustauschfläche vergrö ssernden Elemente tangential an einem Rohr und senkrecht zu seiner Achse liegen, Fig. 6 im Grundruss eine Ausführungsform nach Fig. 5 mit mehreren Rohren, in kleine rem Massstab, Fig. 7 im Längsschnitt und in Einzeldar stellung das äussere Ende eines die Wärme austauschfläche vergrössernden Elementes, Fig.8 den Querschnitt durch einen Teil einer sogenannten Wasserwand eines Dampf kessels, Fig. 9 den Grundruss zu Fig. 8,
Fig. 10 einen Querschnitt durch Fig. 9 nach Linie<B>13-13,</B> in grösserem Massstab, Fig.11 einen Teilschnitt zu Fig.9 nach Linie 14-14.
In den Fig.1 bis 6 bezeichnet 5 die Grund wand, welche die beiden in Wärmeaustausch zu bringenden Medien voneinander trennt und an der die die Wärmeaustauschfläche vergrö ssernden, mit 6 bezeichneten Elemente be festigt sind. Bei allen Ausführungsbeispielen besteht die Grundwand aus einem Metall, wie z. B. Stahl, das eine hohe Bruchfestigkeit und einen verhältnismässig niedrigen Ausdeh nungskoeffizienten besitzt.
In den meisten Fällen ist Stahl das geeig nete Material; wo indessen extreme Oxyda- tions- oder Korrosionsbedingungen vorherr schen, wird eine geeignete Stahllegierung be nutzt, beispielsweise eine Chromstahllegierinig mit verhältnismässig hohem Chrom- und ge ringem Kohlenstoffgehalt. Die- Griindwand kann in diesem Fall geschichtet sein, wobei nur die der Oxydations- oder Korrosionswir kung ausgesetzte Oberfläche aus der teureren Legierung besteht, während sie im übrigen aus Thomasstahl oder einem billigeren Stahl oder einem andern Metall besteht.
Die die Wärmeaustauschfläche vergrössern den Elemente 6 sind an der Grundwand be festigt. Wie gezeigt, sind die Elemente 6 bi- metallisch. und bestehen aus einem Metallkern 9 und einem Metallüberzug 10. Der Kern 9 ist aus Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit, auf jeden Fall höher als diejenige des Me tallüberzuges 10, und verhältnismässig hohem Ausdehnungskoeffizienten. Ein besonders ge eigneter Werkstoff hierfür ist Kupfer, ob wohl auch Aluminium Verwendung finden kann. Das Metall des Überzuges 10 soll höhere Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation und Korosion in Luft und Rauchgasen als der Metallkern 9 haben.
Das will heissen, dass das Überzugsmetall gefeit ist gegen Oxydation und Abschuppen bei Temperaturen von min destens 400 C, in manchen Fällen bis zu 800 C. Eine andere Erfordernis, die das Me tall für den Überzug besitzen muss, ist die, dass es wenigstens angenähert den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Metall, aus dem die Grundwand bzw. die Oberflä chenschicht der Grundwand, an der das Ele ment befestigt ist, besteht. Ist die Grund wand beispielsweise aus Thomasstahl gefer tigt, so soll der Metallüberzug vorzugsweise ebenfalls aus Thomasstahl bestehen.
Ist die Grundwand aus einer Stahllegierung herge stellt, so gilt dasselbe für den Überzug der die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Elemente. Wenn die (1'srundwand geschichtet ist, wird als Überzugsmaterial für die Ele mente zweekmässigerweise das gleiche Metall gewählt, aus dem die äusserste Schicht der Grundwand besteht.
Ein anderes Metall, das mit Vorteil für den Überzug der Elemente Verwendung fin- det, ist Marinemessing, das aus 70% Cu,
29 % Zn .und 1% Sn oder 63 % Cu und 37 0/0 Zn oder 7611/o Cu,
22% Zn -Lind 2%. Al be- steht und gegen Oxydation und Korrosion noch widerstandsfähig ist und einen Ausdeh nungskoeffizienten nahe jenen des Stahls be sitzt (18,10-6 mm C für das erste und 12,10-6 mm C für das zweite).
Die Wandstärke des Überzuges der Ele mente soll dünner sein als diejenige des Kernes ; derselben, im allgemeinen nicht grösser, als es das verwendete Herstellungsverfahren erfor dert, um die Stabform für die die Wärmeaus tauschfläche vergrössernden Elemente zu ge winnen und/oder nicht grösser als notwendig, ; um eine gute und dauerhafte Bindung zwi schen dem Überzug und der Grundwand zu gewährleisten, sowie eine ausreichende Halt barkeit des Metallüberzuges bei den herrschen den Betriebsbedingungen besitzen.
Für Ele mente, deren durchschnittlicher Durchmesser ohne Metallüberzug in der Grössenordnung von 2 bis 8 mm liegt, beträgt die Wandstärke des Überzuges ungefähr 0,2 bis 0,7 mm.
Bei Anordnungen nach Fig.1 werden die, Elemente endweise durch Widerstandsschwei- ssung, wie in der schweizerischen Patent schrift Nr. 288555 beschrieben ist, mit der Grundwand verschweisst. Ist die Grundwand des Wärmeaustauschers rohrförmig, wie das in Fig.1 gezeigt ist, so werden die Elemente radial an dem Rohr befestigt (wie in gestri chelten Linien angedeutet), auf geeignete Länge zugeschnitten und dann gruppenweise parallel gebogen.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Fig.1 dadurch, dass die Grundwand, die die beiden Medien trennt und durch die der Wärmeaus tausch stattfindet, eine ebene Platte ist.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 besteht der Wärmeaustauscher aus einem bzw. aus mehreren Rohren, deren die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Ele mente Gruppen von tangential an dem Rohr bzw. den unter sich parallelen Rohren be festigten Stäben sind, die zudem senkrecht zu der Rohrachse stehen.
In Fig. 5 ist eine rohrförmige Grundwand gezeigt, die geschichtet ist. Das Rohr 5 be sitzt einen Metallkern 7 aus Thomasstahl oder aus einem andern billigen Metall, und eine Aussenhaut 8 aus einem Metall, das eine be sonders hohe Widerstandsfestigkeit gegen Oxydation aufweist, z. $. aus Chromstahl legierung.
Der Metallüberzug 10 der die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Ele mente 6 zusammen mit der Aussenhaut 8 des Rohres 5 macht diese Gattung von Wärmeaus- tauschern wirtschaftlich möglich, weil die Schwierigkeit aus dem Weg geräiunt ist, die bisher gegen die gleichzeitige Herstellung nahe beieinander liegender Schweissverbindungen bestand.
Die Enden der die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Elemente können, falls er wünscht, zum Zwecke des Schliessens der Überzugsschicht über dem Kern zugeklemmt oder aber mit einer eigenen metallischen Schutzkappe 13, wie in Fig.7 gezeigt, abge deckt sein, die in Rauchgasen oxydations- und korrosionsfester ist als der Kern. Da jedoch der Querschnitt des Kernes sehr klein ist, wird sich im allgemeinen diese Vorsichtsmassnahme erübrigen.
Die Ausführungsform der Fig. 8 bis 11 ist für eine sogenannte Wasserwand der Feue rung eines Dampfkessels oder dergleichen ge dacht. Es ist üblich, die Wandungen von Dampfkesseln mit Rohren auszukleiden. Um die Zahl der Rohre zu verkleinern, sind seit lieh -vorspringende Ansätze an die Rohre ge schweisst. Bimetallische plattenförmige Rip pen sind für diesen Zweck in hervorragender Weise geeignet, da sie es ermöglichen, die Wasserrohre in weit grösseren Abständen von einander anzuordnen als bisher.
Zu diesem Zweck besitzen die Rohre 5', durch welche das Kesselmedium zirkuliert, plattenförmige Rippen 6', die in der gleichen Weise als die Wärmeaustauschfläche vergrö ssernden Elemente an das betreffende Rohr 5' angeschweisst sind, wie oben beschrieben, und radial von diesem hinausragen. Die Elemente 6' besitzen rechteckigen Querschnitt und be stehen aus einem Metallkern 9' aus Kupfer oder einem andern Metall von höher Wärme leitfähigkeit und einem Metallüberzug 10' aus Stahl oder einem andern geeigneten Metall, das wenigstens angenähert den gleichen Aus dehnungskoeffizienten wie die Rohre besitzt.
Der Vorteil dieser Bauart gegenüber einer solchen mit Stahlflügeln oder -rippen wird klar bei Vergleich der Länge der Bimetallrip- pen mit Stahlrippen der in Fig.10 durch die Linien L angedeuteten Länge, wie sie bisher verwendet wurden. Wenn die Bimetallrippen aus Kupfer und Stahl bestehen, lässt sich der gleiche Zweck mit weit weniger Rohren er reichen als bisher.
Versuche haben gezeigt, dass durch die vor geschlagene Ausbildung der bimetallischen, die Wärmeaustauschfläche vergrössernden Ele mente die Wärmespannungen an der Schweiss stelle von der Grundwand mit dem betreffen den Element stark vermindert werden, wo durch eine Rekristallisation und ein Brechen an dieser Stelle weitgehend verhindert wird.