Wärmeaustauscherelement, insbesondere für hohe Temperaturen Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauscher- element, insbesondere für hohe Temperaturen, und löst das Grundproblem einer zweckmässigen und dabei dem Material und dem Preis nach vorteilhaften Kon struktion von Wärmeaustauschern, hauptsächlich, wie bereits erwähnt, für hohe Temperaturen (z. B. bei einer Wandtemperatur bis 1000 C) sowie auch für höhere Druckunterschiede zwischen den Wärmeaus tauschmedien (z. B. 6 bis 10 Atü).
Derartige Betriebsbedingungen kommen gewöhn lich z. B. in den Arbeitskreisläufen von Verbren- nungs- oder Luftturbinen, verschiedenen technologi schen oder chemischen Vorgängen und dgl. vor.
Wärmeaustauscher für solche anspruchsvolle Be triebsbedingungen werden meistens als Gleich- oder Gegenstromerhitzer mit Längs- oder Querbeaufschla- gung von glatten Rohren aus hochlegierten Stählen gebaut. Ihr Nachteil ist ein grosser Verbrauch von sel tenen Legierungen und ein bedeutender Anschaf fungspreis. Dieser Umstand führt zum Bestreben, aus gegossenen Rippenrohren zusammengestellte Wärme- austauscher zu verwenden.
Die Schwierigkeiten be ruhen jedoch darin, dass die bekannten Typen von gusseisernen Rippenrohren mit auf beiden Seiten der Rohre durch Rippen vergrösserter Wärmeaustausch fläche nur für niedrigere Temperaturen und kleine Druckunterschiede zwischen den Wärmeaustausch medien verwendbar sind, wobei einen weiteren Nach teil auch die grossen Abmessungen und ein grosses Gewicht der aus diesen Rippenrohren zusammen gesetzten Wärmeaustauscher bilden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die besagten Nachteile, Mängel und Schwierigkeiten bei der Lösung von Wärmeaustauschem insbesondere für hohe Temperaturen nach Möglichkeit beseitigt, wel che Erfindung ein Wärmeaustauscherelement be trifft mit einem aus einer hitzebeständigen Legie- rung bestehenden, gegossenen Rohr mit auf beiden Seiten desselben durch Längsrippen vergrösserter Wandfläche, welches Rohr in einem Umhüllungs mantel eingeschoben ist.
Das Wärmeaustauscherelement ist gemäss der Er findung dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwand des Rohres im Querschnitt mindestens aus drei ge wölbten Abschnitten besteht, welche an ihren gegen seitigen Stossstellen an der Innenseite in Längsrippen übergehen, die den Innenraum des Rohres in min destens drei zusammenhängende innere Durchfluss- kanäle für ein Wärmeaustauschmedium unterteilen, während an der Aussenseite der Grundwand eine grössere Anzahl von Längsrippen ungleicher Höhe angeordnet ist,
die zusammen mit dem Umhüllungs mantel äussere Kanäle für den Durchfluss eines an deren Wärmeaustauschmediums begrenzen.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Wärmeaustauscherelementes wird der Wärmeüber gang vom Heizmedium in das beheizte Medium wesentlich verbessert, wobei der Wärmeübergang durch das Einschieben einer Strahleinlage von ge eigneter Form in den Innenraum des Rohres noch weiter verbessert wird. Durch die inneren und äusseren Längsrippen wird das Rohr gleichzeitig mechanisch versteift, so dass bei den hohen Temperaturen, denen die bekannten hitzebeständigen Legierungen stand halten (z. B. bis 1000 C), derselbe auch höhere Druckunterschiede zwischen den Wärmeaustausch medien verträgt (z. B. 6 bis 10 Atü) und sein Eigen gewicht gut trägt.
Man kann daher aus diesen Ele menten vorteilhafterweise Wärmeaustauscher zusam mensetzen, die den Betrieb bei höheren Temperaturen und überdrücken ermöglichen.
Anhand der Zeichnung wird anschliessend bei spielsweise die Erfindung erläutert. Fig. 2 veranschaulicht einen Teil eines Wärmeaus tauscherelementes zum Erhitzen von Druckluft durch heisse Verbrennungsgase, in einem Axialschnitt; Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch das Element nach der Linie A-A in. Fig. 1 dar.
Die einander entsprechenden Teile des Wärme austauscherelementes sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Wärmeaustauscherele- ment besitzt ein aus einer hitzebeständigen Legierung bestehendes, gegossenes Rohr, dessen Grundwand 1 aus vier symmetrischen, gewölbten Abschnitten zu sammengesetzt ist, die an ihren gegenseitigen Stoss stellen an der Innenseite in Längsrippen 2 übergehen.
Die Legierung, aus welcher das Rohr besteht, hat vorzugsweise eine Zusammensetzung, welche etwa 1 % C, 30 ä Al und als Rest Fe enthält.
Die Rippen 2 vergrössern die innere Wandfläche des Rohres und unterteilen den Innenraum desselben für den Durchtritt von Verbrennungsgasen in vier zusammenhängende Kanäle 8 von kleineren hydrau lischen Durchmessern. Statt aus vier könnte die Grund wand 1 auch aus drei gewölbten Abschnitten bestehen, so dass in diesem Falle der Innenraum des Rohres in drei zusammenhängende Kanäle unterteilt wäre. An der Aussenseite der Grundwand 1 ist eine grössere Anzahl von ungleich hohen Längsrippen 3 angeord net, welche die äussere Wandfläche des Rohres ver grössern. Die Umhüllungskurve der abgerundeten Scheitel der Aussenrippen 3 ist ein Kreis. Das Rohr ist in einen zylindrischen Mantel 4 eingeschoben, der z.
B. aus einem Rohr aus üblichem Kohlenstoffstahl mit alumetierter Oberfläche verfestigt ist. Dadurch wird zwischen den Aussenrippen 3 und dem Mantel 4 eine grössere Anzahl von Kanälen 9 von kleinen hydraulischen Durchmessern für den Durchtritt der zu beheizenden Luft gebildet.
Zwecks gleichmässiger Wärmebeanspruchung der Grundwand 1 des Rohres können die Aussenrippen 3 auch derart bemessen und am Umfang verteilt sein, dass die Durchflussquerschnitte der Kanäle 9 an nähernd gleich sind. Die erhöhte Wärmebeanspru chung der Wand 1 an den Stellen, wo ihre innere Fläche durch die Rippen 2 vergrössert ist, wird teil weise durch die grössere Vertiefung der diesen Rippen 2 gegenüberliegenden Kanäle 9 und durch die Ver grösserung der Teilung der diesen Rippen 2 ebenfalls gegenüberliegenden Aussenrippen 3 ausgeglichen. Die äussere Wandfläche des Rohres ist etwa doppelt so gross wie die innere Wandfläche.
Die einzelnen äusseren sowie inneren Rippen 2, 3 können in Längsrichtung unterbrochen sein, wodurch eine teilweise Störung der Grenzschicht der strömenden Wärmeaustauschmedien und dadurch auch ein er höhter Wärmeübergang erzielt wird.
In den Innenraum des Rohres kann noch ein Einbau 5 eingeschoben werden, der im Querschnitt gesehen in der Form eines Sternes mit entsprechender Anzahl von in die Durchflusskanäle 8 hineinragenden Armen ausgeführt ist (Fig. 2). Durch den Einbau 5 wird eine Erhöhung des Gesamtkoeffizienten des Wärmeüberganges an der Seite der Verbrennungs gase einerseits unter Einfluss der Wärmestrahlung von dem Einbau 5 auf die diesen umgebende Innenfläche des Rohres, anderseits durch eine weitere Verringe rung der hydraulischen Durchmesser der Kanäle 8 erzielt. Bei der Reinigung der inneren Fläche des Rohres kann man den Einbau 5 herausnehmen.
In Fig. 1 ist das beschriebene Wärmeaustauscher- element als Teil eines mit Gegenstrom arbeitenden Wärmeaustauschers dargestellt. Die heissen Verbren nungsgase strömen im Sinne des Pfeiles I durch den Innenraum des Rohres. Druckluft wird im Gegen strom im Sinne der Pfeile 1I durch die Kanäle 9 zwi schen dem Rohr und dem Mantel 4 geleitet. Bei dieser Anordnung kommen die höchsten Tempera turen der Rohrwand 1 an der Eintrittsstelle der heissen Verbrennungsgase vor.
Zwecks Verringerung der Wärmebeanspruchung des Materials und um das Rohr in eine Rohrwand 7 leichter einbauen zu können, geht an dieser Stelle die Wand 1. mit den äusseren sowie inneren Rippen 2, 3 in die Form eines glatten, dick wandigen kreisrunden Rohres über. Dabei nimmt die Höhe der Innenrippen 2 schneller als diejenige der Aussenrippen 3 ab, so dass mit steigendem hydrau lischem Durchmesser der einzelnen inneren Kanäle 8 in der Richtung gegen den Eintritt der heissen Ver brennungsgase auch das Verhältnis der äusseren zur inneren Wandfläche des Rohres gleichzeitig zunimmt. Durch diese konstruktive Massnahme wird ein günstiger Wärmeübergang in dem am meist thermisch beanspruchten Eintrittsteil des Rohres erreicht.
Zum Schutz der Eintrittskante des gegossenen Rohres gegen Abbrand durch die heissen Verbrennungsgase ist in die Rohrwand 7 ein keramischer Ring 6 eingebaut. In Fällen, wo die Rohre des Wärmeaustauscher- elementes in grösseren Baulängen hergestellt werden müssen, werden die einzelnen Teilrohre durch Schweissung verbunden (nicht gezeichnet). Zu diesem Zwecke hat jedes Teilrohr an den beiden Enden die Form eines glatten kreisrunden Rohres, das ähnlich wie vorerwähnt ausgeführt ist.
Der Aussendurchmesser der Rohrenden ist hier jedoch derart verringert, dass nach dem Überziehen des Mantelrohres 4 über die zusammengeschweissten Teilrohre der Durchflussquer- schnitt für das zwischen Rohr und Mantel strömende Medium an der Verbindungsstelle nicht gestört ist. Aus Festigkeitsgründen ist auch an der Verbindungs stelle die Rohrwand entsprechend verstärkt.
Die Bedeutung des Wärmeaustauscherelementes nach der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere in der Möglichkeit der Verwendung eines billigen, zur Verfügung stehenden hitzebeständigen Gusseisens zum Bau von Druckwärmeaustauschern für hohe Tempera turen von vorteilhaften thermischen und mechanischen Eigenschaften und verhältnismässig kleinen Aussmassen. Die Verwendung ist höchst weitgehend, insbesondere für Hochtemperaturaustauscher für Verbrennungstur binen mit Verbrennung von Kohlenstaub hinter der Turbine, für die Rekuperation der Abfallwärme von Gasen mit hohem Temperaturniveau in Verbindung mit einer Luftturbine usw.
In allen diesen Fällen bietet das Wärmeaustauscherelement nach der vor liegenden Erfindung bemerkenswerte technische so wie ökonomische Vorteile.