CH351990A - Wärmeaustauscherelement, insbesondere für hohe Temperaturen - Google Patents

Description

      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.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Wärmeaustauscherelement, insbesondere für hohe Temperaturen, mit einem aus einer hitzebeständigen Legierung bestehenden, gegossenen Rohr mit auf bei den Seiten desselben durch Längsrippen vergrösserter Wandfläche, welches Rohr in einem Umhüllungs mantel eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwand (1) des Rohres im Querschnitt (Fig. 2) mindestens aus drei gewölbten Abschnitten besteht, welche an ihren gegenseitigen Stossstellen an der In nenseite in Längsrippen (2) übergehen, die den Innen raum des Rohres in mindestens drei zusammenhän gende innere Durchflusskanäle (8) für ein Wärmeaus tauschmedium unterteilen, während an der Aussen seite der Grundwand (1) eine grössere Anzahl von Längsrippen (3)

   ungleicher Höhe angeordnet ist, die zusammen mit dem Umhüllungsmantel (4) äussere Kanäle (9) für den Durchfluss eines anderen Wärme austauschmediums begrenzen. UNTERANSPRÜCHE 1. Element nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass in den Innenraum des Rohres ein Ein bau (5) sternförmigen Querschnittes eingeschoben ist, dessen Längsrippen die inneren Durchflusskanäle (8) unterteilen. 2.

   Element nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die örtliche Verdickung der inneren Wandfläche des Rohres infolge der Innenrippen (2) durch eine grössere Vertiefung der äusseren, den Innenrippen (2) gegenüberliegenden Kanäle (9) und durch eine Vergrösserung der Teilung der den Innen rippen (2) ebenfalls gegenüberliegenden Aussenrippen (3) an der Aussenseite des Rohres teilweise ausge glichen wird. 3. Element nach Patentanspruch und Unteran spruch 2, dadurch gekennzeichnet, d'ass die durch die ungleich hohen Aussenrippen (3) und den Umhüllungs mantel (4) begrenzten äusseren Durchflusskanäle (9) einen annähernd gleich grossen Durchflussquerschnitt aufweisen. 4.

   Element nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zwecks Störung der Grenzschichten die äusseren sowie die inneren Rippen (2, 3) entlang der Grundwand (1) des Rohres in bestimmten Ab ständen unterbrochen sind. 5. Element nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Grundwand (1) in Richtung gegen das eine ihrer beiden Enden unter kontinuier licher Vergrösserung ihrer Dicke in die Gestalt eines glatten kreisförmigen dickwandigen Rohres übergeht, wobei die Höhe der inneren Rippen (2) in die ge nannte Richtung schneller als diejenige der Aussen rippen (3) abnimmt.