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.
The present invention relates to a heat exchanger provided with the elements enlarging the heat exchange area, which has a metallic base wall which has bimetallic elements which are combined with the base wall, protrude therefrom and each consist of a metal core and a metal core Consist of metal coating.
The most effective way of increasing the heat exchange area of a heat exchanger is to use a large number of closely spaced and closely spaced, wire or rod-shaped elements of small diameter that are attached to the base wall and that contain the two media separates between which the heat exchange is to take place, to be provided. The advantage of this design is discussed in Swiss Patent No. 291905.
As discussed there, the wire or rod-like elements are made of a metal with higher thermal conductivity, preferably made of copper or aluminum.
However, with a rapid change in temperature, the difference in the expansion coefficients between steel or steel alloys, of which the base wall is preferably made, and copper or aluminum as the material of the elements increasing the heat exchange surface, causes such high thermal stresses at the welded joints between the Base wall and those elements that @ recrystallize and break these connections.
The problem with which the invention is concerned is now to find ways to protect the heat exchange surface enlarging elements against oxidation and corrosion without significantly impairing their thermal conductivity, as well as to provide means for recrystallization and the rupture of the joints between the. to prevent elements increasing the heat exchange surface and the base wall.
The suggestion of plating the elements with a metal which ensures the oxidation and corrosion resistance at elevated temperatures is not acceptable, if only because of the high cost, since the plating would have to be done after all the elements have been welded to the base wall.
However, regardless of the high costs, it has been found that plating with various metals ensuring better resistance to oxidation and corrosion is inadequate because of the difficulty in obtaining good plating protection at the roots, i.e. at the points where the the heat exchange surface increase the elements are welded to the base wall, and further because the cladding breaks when the elements are bent into their working position.
Alloying the copper for the purpose of improving the oxidation and corrosion resistance is also out of the question, because this would considerably reduce the thermal conductivity of the metal. It is clear that as long as a solution to the problem has not been found, as long as these elements, which are ideal in themselves, increase the heat exchange area, only on devices where the temperature is not too high and the gases are not chemically too corrosive, such as B. prepare hot water, could be used.
The heat exchanger according to the present invention is characterized in that the metal core has a higher thermal conductivity than the metal coating - which is thinner and more resistant to oxidation and corrosion than the metal core and whose coefficient of thermal expansion is approximately the same as that of the base wall.
The base wall, on which the heat exchange surface enlarging elements be fastened, can be in the form of a tube and be made of steel or the like, which has proven to be sufficient for most purposes. The coating of the elements can also consist of steel, the metal core of which then consists of copper or aluminum.
Using the drawing, the inven tion is explained in several exemplary embodiments. 1 shows a cross section through a heat exchanger which is intended for use in steam boilers-Lind in which the elements increasing the heat exchange surface are located on the outside of a pipe through which the boiler medium flows, FIG. 2 in a larger scale Scale a part of the wall of the pipe of Fig. 1,
together with one of the elements increasing the heat exchange surface before it is combined with the tube, FIG. 3 shows the parts of FIG. 2 after they have been combined, FIG. 4 shows a cross section through part of a second embodiment of the heat exchanger which is particularly suitable is for devices in which the media used for heat exchange flow on both sides of a base wall and the elements that enlarge the heat exchange surface are also arranged on both sides of the base wall,
5 shows a third embodiment in which the elements enlarging the heat exchange surface are tangential to a tube and perpendicular to its axis, FIG. 6 shows an embodiment according to FIG. 5 with several tubes, on a smaller scale, FIG Longitudinal section and in a single representation the outer end of an element increasing the heat exchange surface, FIG. 8 the cross section through part of a so-called water wall of a steam boiler, FIG. 9 the outline of FIG. 8,
10 shows a cross section through FIG. 9 along line 13-13, on a larger scale, FIG. 11 shows a partial section to FIG. 9 along line 14-14.
In FIGS. 1 to 6, 5 denotes the base wall, which separates the two media to be brought into heat exchange from one another and to which the elements denoted by 6, which enlarge the heat exchange surface, are fastened. In all embodiments, the base wall consists of a metal, such as. B. steel, which has a high breaking strength and a relatively low expansion coefficient.
In most cases steel is the suitable material; However, where extreme oxidation or corrosion conditions prevail, a suitable steel alloy is used, for example a chromium steel alloy with a relatively high chromium and low carbon content. The main wall can in this case be layered, with only the surface exposed to the oxidative or corrosion effect consisting of the more expensive alloy, while it is otherwise made of Thomas steel or a cheaper steel or another metal.
The increase the heat exchange surface the elements 6 are fastened to the base wall be. As shown, the elements 6 are bimetallic. and consist of a metal core 9 and a metal coating 10. The core 9 is made of metal of high thermal conductivity, in any case higher than that of the metal coating 10, and a relatively high coefficient of expansion. A particularly suitable material for this is copper, although aluminum can also be used. The metal of the coating 10 is said to have a higher resistance to oxidation and corrosion in air and smoke gases than the metal core 9.
This means that the coating metal is immune to oxidation and flaking at temperatures of at least 400 C, in some cases up to 800 C. Another requirement that the metal must have for the coating is that it is at least approximately has the same coefficient of expansion as the metal from which the base wall or the surface layer of the base wall to which the element is attached consists. If the base wall is made of Thomas steel, for example, the metal coating should preferably also be made of Thomas steel.
If the base wall is made of a steel alloy, the same applies to the coating of the elements that enlarge the heat exchange surface. If the round wall is layered, the same metal is chosen as the coating material for the elements, from which the outermost layer of the base wall is made.
Another metal that is used to advantage for the coating of the elements is marine brass, which consists of 70% Cu,
29% Zn. And 1% Sn or 63% Cu and 37 0/0 Zn or 7611 / o Cu,
22% Zn-Lind 2%. Al exists and is still resistant to oxidation and corrosion and has a coefficient of expansion close to that of steel (18.10-6 mm C for the first and 12.10-6 mm C for the second).
The wall thickness of the coating of the ele ments should be thinner than that of the core; the same, generally not larger than required by the manufacturing process used, to win the rod shape for the elements increasing the heat exchange surface and / or not larger than necessary; to ensure a good and permanent bond between tween the coating and the base wall, and have sufficient durability of the metal coating in the prevailing operating conditions.
For elements whose average diameter without metal coating is in the order of magnitude of 2 to 8 mm, the wall thickness of the coating is approximately 0.2 to 0.7 mm.
In the case of arrangements according to FIG. 1, the elements are welded to the base wall end by end by resistance welding, as described in Swiss patent publication No. 288555. If the base wall of the heat exchanger is tubular, as shown in FIG. 1, the elements are attached radially to the tube (as indicated in dashed lines), cut to a suitable length and then bent in groups in parallel.
The embodiment shown in FIG. 4 differs from that according to FIG. 1 in that the base wall, which separates the two media and through which the heat exchange takes place, is a flat plate.
In the embodiment of FIGS. 5 and 6, the heat exchanger consists of one or more tubes whose heat exchange surface enlarging elements are groups of tangential to the tube or the parallel tubes be fixed rods, which are also perpendicular to the Pipe axis.
In Fig. 5 a tubular base wall is shown which is layered. The tube 5 BE sits a metal core 7 made of Thomasstahl or some other cheap metal, and an outer skin 8 made of a metal that has a particularly high resistance to oxidation, for. $. Made of chrome steel alloy.
The metal coating 10 of the elements 6 enlarging the heat exchange surface together with the outer skin 8 of the tube 5 makes this type of heat exchanger economically feasible because the difficulty that previously existed against the simultaneous production of welded joints that were close together has been eliminated.
The ends of the elements enlarging the heat exchange surface can, if desired, be clamped shut for the purpose of closing the coating layer over the core or with a separate metallic protective cap 13, as shown in FIG. 7, which is more resistant to oxidation and corrosion in flue gases is as the core. However, since the cross section of the core is very small, this precautionary measure will generally be superfluous.
The embodiment of FIGS. 8 to 11 is intended for a so-called water wall of the Feue tion of a steam boiler or the like. It is common practice to line the walls of steam boilers with pipes. In order to reduce the number of pipes, protruding approaches have been welded to the pipes since. Bimetallic plate-shaped Rip pen are ideally suited for this purpose, as they make it possible to arrange the water pipes at far greater distances from one another than before.
For this purpose, the pipes 5 'through which the boiler medium circulates have plate-shaped ribs 6', which are welded to the pipe 5 'in question in the same way as the heat exchange surface enlarging elements, as described above, and protrude radially from it. The elements 6 'have a rectangular cross-section and be made of a metal core 9' made of copper or another metal of higher thermal conductivity and a metal coating 10 'made of steel or other suitable metal, which has at least approximately the same expansion coefficient as the tubes.
The advantage of this design over one with steel wings or ribs becomes clear when comparing the length of the bimetallic ribs with steel ribs of the length indicated in FIG. 10 by the lines L, as they have been used up to now. If the bimetal ribs are made of copper and steel, the same purpose can be achieved with far fewer tubes than before.
Tests have shown that the proposed formation of the bimetallic elements enlarging the heat exchange area greatly reduces the thermal stresses at the welding point from the base wall with the element in question, which largely prevents recrystallization and breakage at this point.