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.
Heat exchanger element, especially for high temperatures The invention relates to a heat exchanger element, especially for high temperatures, and solves the basic problem of a practical and advantageous construction of heat exchangers in terms of material and price, mainly, as already mentioned, for high temperatures (e.g. B. at a wall temperature of up to 1000 C) as well as for higher pressure differences between the heat exchange media (e.g. 6 to 10 Atü).
Such operating conditions usually come Lich z. B. in the working cycles of combustion or air turbines, various technological or chemical processes and the like. Before.
Heat exchangers for such demanding operating conditions are usually built as cocurrent or countercurrent heaters with longitudinal or transverse feed of smooth tubes made of high-alloy steels. Their disadvantage is a large consumption of rare alloys and a significant purchase price. This fact leads to an effort to use heat exchangers composed of cast finned tubes.
The difficulties, however, rest in the fact that the known types of cast iron finned tubes with increased heat exchange surface on both sides of the tubes by ribs can only be used for lower temperatures and small pressure differences between the heat exchange media, with a further disadvantage also the large dimensions and a form the large weight of the heat exchangers assembled from these finned tubes.
According to the present invention, said disadvantages, deficiencies and difficulties in solving heat exchangers, especially for high temperatures, are eliminated as far as possible, wel che invention a heat exchanger element be with a cast tube consisting of a heat-resistant alloy with the same on both sides Longitudinal ribs of enlarged wall area, which tube is inserted in a casing jacket.
According to the invention, the heat exchanger element is characterized in that the base wall of the tube consists of at least three arched sections in cross-section, which merge into longitudinal ribs at their mutual abutment points on the inside, which the interior of the tube in at least three contiguous internal flow - divide channels for a heat exchange medium, while a larger number of longitudinal ribs of unequal height are arranged on the outside of the base wall,
which, together with the cladding jacket, limit the outer channels for the flow of another heat exchange medium.
The inventive design of the heat exchanger element, the heat transfer from the heating medium to the heated medium is significantly improved, the heat transfer is improved even further by inserting a jet insert of suitable shape into the interior of the tube. The inner and outer longitudinal ribs mechanically stiffen the tube at the same time, so that at the high temperatures that the known heat-resistant alloys can withstand (e.g. up to 1000 C), it can withstand higher pressure differences between the heat exchange media (e.g. 6 to 10 Atü) and carries its own weight well.
It is therefore advantageous to assemble heat exchangers from these elements that allow operation at higher temperatures and overpressures.
The invention is then explained using the drawing, for example. Fig. 2 illustrates part of a Wärmeaus exchanger element for heating compressed air by hot combustion gases, in an axial section; Fig. 2 shows a cross section through the element along the line A-A in Fig. 1.
The corresponding parts of the heat exchanger element are provided with the same reference numerals in the figures. The heat exchanger element has a cast tube made of a heat-resistant alloy, the base wall 1 of which is composed of four symmetrical, curved sections which merge into longitudinal ribs 2 at their mutual abutment on the inside.
The alloy of which the pipe is made preferably has a composition which contains about 1% C, 30% Al and the remainder Fe.
The ribs 2 enlarge the inner wall surface of the tube and subdivide the interior of the same for the passage of combustion gases into four contiguous channels 8 of smaller hy cal diameters. Instead of four, the base wall 1 could also consist of three curved sections, so that in this case the interior of the tube would be divided into three contiguous channels. On the outside of the base wall 1, a larger number of unevenly high longitudinal ribs 3 is angeord net, which enlarge the outer wall surface of the tube ver. The envelope curve of the rounded apex of the outer ribs 3 is a circle. The tube is inserted into a cylindrical jacket 4 which, for.
B. solidified from a tube made of conventional carbon steel with an aluminum coated surface. As a result, a larger number of channels 9 of small hydraulic diameters for the passage of the air to be heated is formed between the outer ribs 3 and the jacket 4.
For the purpose of uniform thermal stress on the base wall 1 of the tube, the outer ribs 3 can also be dimensioned and distributed around the circumference in such a way that the flow cross-sections of the channels 9 are approximately the same. The increased heat stress on the wall 1 at the points where its inner area is enlarged by the ribs 2 is partly due to the larger depression of the channels 9 opposite these ribs 2 and by the enlargement of the pitch of the outer ribs 2 also opposite these ribs 3 balanced. The outer wall surface of the pipe is about twice as large as the inner wall surface.
The individual outer and inner ribs 2, 3 can be interrupted in the longitudinal direction, as a result of which a partial disruption of the boundary layer of the flowing heat exchange media and thereby also increased heat transfer is achieved.
An installation 5 can also be inserted into the interior of the pipe, which is designed in the form of a star, seen in cross section, with a corresponding number of arms protruding into the flow channels 8 (FIG. 2). The installation 5 increases the overall coefficient of heat transfer on the side of the combustion gases on the one hand under the influence of thermal radiation from the installation 5 on the surrounding inner surface of the pipe, on the other hand by further reducing the hydraulic diameter of the channels 8. The installation 5 can be removed when cleaning the inner surface of the pipe.
In Fig. 1, the heat exchanger element described is shown as part of a countercurrent heat exchanger. The hot combustion gases flow in the direction of arrow I through the interior of the tube. Compressed air is passed through the channels 9 between the pipe and the jacket 4 in the opposite direction as indicated by the arrows 1I. In this arrangement, the highest temperatures of the pipe wall 1 occur at the point of entry of the hot combustion gases.
In order to reduce the thermal stress on the material and to be able to install the pipe in a pipe wall 7 more easily, the wall 1. with the outer and inner ribs 2, 3 merges into the shape of a smooth, thick-walled circular pipe at this point. The height of the inner ribs 2 decreases faster than that of the outer ribs 3, so that as the hydrau cal diameter of the individual inner channels 8 increases in the direction against the entry of the hot combustion gases, the ratio of the outer to the inner wall area of the tube also increases at the same time. This constructive measure achieves a favorable heat transfer in the inlet part of the pipe that is usually subjected to thermal stress.
To protect the leading edge of the cast pipe from being burned off by the hot combustion gases, a ceramic ring 6 is built into the pipe wall 7. In cases where the tubes of the heat exchanger element have to be manufactured in greater lengths, the individual partial tubes are connected by welding (not shown). For this purpose, each part tube has the shape of a smooth circular tube at both ends, which is designed in a manner similar to that mentioned above.
However, the outer diameter of the pipe ends is reduced here in such a way that after the casing pipe 4 has been pulled over the partial pipes welded together, the flow cross section for the medium flowing between pipe and casing is not disturbed at the connection point. For reasons of strength, the pipe wall is also reinforced accordingly at the connection point.
The importance of the heat exchanger element according to the present invention lies in the possibility of using a cheap, available heat-resistant cast iron for the construction of pressure heat exchangers for high tempera tures of advantageous thermal and mechanical properties and relatively small dimensions. The use is extremely extensive, especially for high-temperature exchangers for combustion turbines with combustion of coal dust behind the turbine, for the recuperation of waste heat from gases with a high temperature level in connection with an air turbine, etc.
In all of these cases, the heat exchanger element according to the present invention offers notable technical as well as economic advantages.