Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mehreren, von einem ersten Medium durchströmten, in einem Gehäuse ineinander geschachtelten Kammern, zwischen denen als Trennwände von einem zweiten Medium durchströmte Rohrwendeln mit dicht zusammengefügten Windungen angeordnet sind.
Einfachste Bauformen solcher Wärmetauscher sind als Kühler für Flüssigkeiten bekanntgeworden, bei denen in einem zylindrischen Gehäuse mit Bogen, Deckel, Zuund Ablauf, mehrere Mantelrohre konzentrisch ineinandergesteckt sind, die infolge unterschiedlicher Durchmesser mehrere ineinander geschachtelte Kammern bilden (DBP 837 542). Die zu kühlende Flüssigkeit durchströmt die Kammern in wechselnden Richtungen. Eine Verbesserung der Kühlwirkung kann durch doppelwandige Mantelrohre mit innerem Hohlraum erzielt werden. Da solche Wärmetauscher von nur einem Medium durchströmt werden können, findet der Wärmetausch nur zwischen diesem Medium und den Wandungen der Kammern und des Gehäuses statt.
Wärmetauscher der genannten Bauart für mehrere strömende Medien besitzen hohle Kammerwandungen mit einem darin angeordneten Leitungssystem, welches von einem zweiten Medium durchströmt wird (DRP 522 962). Solche Wärmetauscher sind insbesondere als Dampferzeuger bekannt, bei denen das Heizmedium die Kammern und Wasser das Leitungssystem der Kammerwandungen durchströmt. Eine hierauf aufbauende Entwicklung hat bereits zu Konstruktionen geführt, bei denen die Kammerwandungen unmittelbar durch Rohrwendeln gebildet werden, deren Rohre eng aneinander liegen oder dicht miteinander verbunden sind, um eine Wand zu bilden (DRP 164 756, 293 360, 647 193, DBP 963 604, DAS 1 186 876 u.a.).
Bei diesen Ausführungen besteht ein Mantelrohr oder bestehen mehrere, koaxial ineinandergesteckte Mantelrohre, welche Kammertrennwände bilden, jeweils aus um die Längsachse des Wärmetauschers gewickelten Rohrschiangen, die von einem an dem Wärmetausch beteiligten Medium durchströmt werden. Es handelt sich hierbei meistens um Dampferzeager, bei denen Wasser durch diese Rohre strömt. Von diesen bekannten Konstruktionen geht die Erfindung aus, deren Aufgabe eine Verbesserung dieser bekannten und in der Wirkung gelobten Konstruktionen hinsichtlich der Anpassunlgsmöglichkeiten lan unterschiedliche Leistungsfonderungen, Herstellungsaufwand und Montageaufwand am Betriebsort ist.
Die gestellte Aufgabe soll erfindungsgemäss dadurch gelöst werden, dass der Wärmetauscher aus mehreren, in Ebenen quer zur Längsachse der im Querschnitt ringförmigen Kammern dicht miteinander verbundenen, in sich vollständigen Baueinheiten aufgebaut ist, von denen jede einen Längsabschnitt des Gehäuses, darin angeord nete Abschnitte, der die Kanunertrennwänlde bildenden Rohrwendeln sowie Armaturen und Nebenleitungen aufweist.
Sinngemäss soll diese etwas vereinfachte Ausdrucksform besagen, dass ein aus derartigen Baueinheiten aufgebauter Wärmetauscher nach dem Zusammenbau der Baueinheiten betriebsklar ist. Die Baueinheiten werden daher bei iherer Anfertigung je nach dem Bestimmungszweck des Wärmetauschers mit den für diesen Zweck erforderlichen Armaturen, - Zweigleitungen, Anschlüssen usw. ausgerüstet, so dass die Montage des Wärmetauschers am Betriebsort lediglich in einer Befestigung der Baueinheiten, in der Verbin dung der Baueinheiten untereinander und gegebenenfalls in dem Verlegen einiger Hilfsleitungen usw. besteht.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, dass der Wärmetauscher aus im Herstellerwerk vollständig oder doch wenigstens nahezu vollständig gefertigten Baueinheiten besteht. Diese Vorfertigung der Baueinheiten in den Werkstätten des Herstellerwerkes ist nicht nur kostensparender, weil umfangreiche Monta geaufwendungen entfallen, sondern ermöglicht auch einen erheblich besseren Gütegrad der Arbeitsausführung und der davon abhängigen Eigenschaften des Wärmetauschers, weil die Herstellung der Baueinheiten in den Werkstätten des Herstellerwerkes unter den bestmöglichen Bedingungen erfolgt.
Gleichrangig mit diesen Vorzügen ist zu bewerten, dass die erfindungsgemässe Ausbildung des Wärmetauschers eine Anpassung ein und derselben Grundkonstruktion an unterschiedliche Leistungsforderungen ermöglicht. Zur Anpassung an solche unterschiedlichen Leistungsforderungen werden lediglich Baueinheiten in der erforderlichen Zahl montiert. Dadurch können Baueinheiten nach der Erfindung auf Vorrat hergestellt werden, so dass bei Bedarf nach den aufgegebenen Leistungsdaten ein diesen Daten entsprechender Wärmetauscher zusammengestellt werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit, jederzeit einzelne Banein- heiten eines Wärmetauschers z. B. für Reparaturzwecke, schnell mit wenig Aufwand auszuweehseln. Sogar eine nachträgliche Vergrösserung oder Verkleinerung eines erfindungsgemässen Wärmetauschers kann vorgenommen werden.
Zur Vervollständigung des angestrebten Zieles ist in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass einander entsprechende Rohrwendelabschnitte der einzelnen Baueinheit über die gesamte Länge des Wärmetauschers miteinander in Serie geschaltet sind; es ergibt sich demzufolge gleichsam eine durchgehende Rohrwendel, die nur ein Einlaufende und ein Auslaufende aufweist. Diese Massnahme vereinfacht die Konstruktion und ist für die meisten Verwendungszwecke ausreichend, denn in der Regel erfolgt der Wärmeausch in solchen Geräten zwischen zwei Medien, von denen eines die Kammern und eines die die Kammertrennwände bildenden Rohrwendeln durchströmt.
Falls mehrere Medien an dem Wärmetausch in einem Gerät beteilgt sind, lassen sich dafür besondere Rohrschlangen schaffen, wie es später noch erläutert wird, oder können Rohrschlangen verschiedener Baueinheiten an verschiedene Kreisläufe angeschlossen werden. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die beiden Enden jedes Rohrwendelabschnittes jeder Baueinheit aus dem Gehäuse herausgeführt sein, wobei das Auslaufende oder jedes der in Serie geschalteten Rohrwendelabschnitte der einzelnen Baueinheiten jeweils mit dem Einlaufende des entsprechenden Rohrwendelabschnittes der benachbarten Baueinheit verbunden ist.
Diese Verbindung ergibt eine Reihenschaltung, bei der das Auslaufende des Rohrwendelabschnittes der einen Baueinheit und das Einlaufende des Rohrwendelabschnittes der benachbarten Baueinheit, z. B. durch Elan- sche, miteinander verbunden sind, so dass die Rohrwendelabschnitte der einzelnen Baueinheiten nacheinander durchströmt werden. Aus wärmetechnischen Gründen ist eine solche Lösung vielfach nicht angebracht.
Vorzugsweise ist für solche Fälle vorgesehen, dass die Rohrwendelabschnitte jeder Baueinheit miteinander in Serie geschaltet sind und die sich so ergebenden Rohrwendelabschnitkombinationen aller Baueinheiten parallel geschaltet sind und dass ei;nerseits die Einlaufenden aller Rohrwendelabschnittkombinationen in einen gemeinsamen Einlaufsammler und andererseits die Auslaufenden aller Rohrwendelabschnitt)kombinationen in einen gemeinsamen Auslaufsammler münden.
Sowohl der Einlaufsammler als auch der Auslaufsammler wird vorteilhaft ausserhalb des Gehäuses angeordnet. Bei gleichsinniger Paralleldurchströmung wird der Einlaufsammler und der Auslaufsammler als über alle Baueinheiten durchgehend ausgebildet. Bei äusserer Anordnung können die beiden Sammler in individueller Weise gestaltet werden, und ihre Lage sowie ihre Form beeinflussen den Bau der Baueinheiten selbst nicht.
Sollten die Temperaturverhältnisse im Wärmeaustauscher gegenüber der äusseren Umgebung eine Isolierung erforderlich machen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass diese Isolierung auf die Aussenfläche jeder einzelnen Baueinheit aufgebracht ist. Jede Baueinheit soll also mit einer in sich selbständigen Isolierung versehen sein, deren Materialien je nach dem Verwendungszweck ausgewählt sein können. Erreicht wird dadurch, dass eine eventuell erforderliche Isolierung den durch die Erfindung angestrebten Zweck nicht behindert. Es entstehen zwar zwischen den Isolierungen der einzelnen Baueinheiten im Bereich der Verbindungsebenen dieser Baueinheiten ringförmige Zwischenräume ohne Isolierung, aber diese Zwischenräume sind meistens nicht hinderlich oder können nachträglich mit einem geeigneten Isolierstoff ausgefüllt werden.
Zur Erzielung einer stabilen und zweckmässigen Ausbildung der Verbindung der einzelnen Baueinheiten untereinander wird ergänzend vorgeschlagen, dass jede Baueinheit an beiden Enden des zugehörigen Gehäuselängs abschnittes einen nach aussen gerichteten Flansch aufweist. Diese Flansche können dann unter Einschaltung einer Dichtung unmittelbar aneinander befestigt werden, jedoch wird sich die Montage der Verbindung schneller und leichter ausführen lassen, wenn anstelle unzählig vieler Bolzen für jede einzelne Flanschverbindung durchgehende Anker verwendet werden, die die einzelnen Flansche durchsetzen und an ihren Enden mit aufschraubbaren Muttern oder gegebenenfalls mit Treibkeilen o. dgl. versehen sind.
Insbesondere bei grossen Ausführungen und liegender Anordnung des Wärmetauschers ist es empfehlenswert, jede Baueinheit mit eigenen Stützgliedern auszurüsten, die auf einer Unterlage, z. B. einem Fundament, befestigbar sind.
Wärmetauscher der erfindungsgemässen Art können zum Kühlen oder Heizen von Flüssigkeiten oder Gasen bzw. Flüssigkeiten und Gasen Verwendung finden. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmetauschers wird darin gesehen, dass er als Heiss wasserbereiter, oder als Schnelldampferzeuger ausgebildet ist, in der Form, dass die Kammern von einem Heizmittel und die die Kammertrennwände bildenden Rohrwendelabschnitte von Wasser durchströmt werden.
Als Heizmittel ist im ersten Fall z. B. Dampf geeignet, aber auch Abgase, Rauchgase 0. dgl. können insbesondere im zweiten Fall Verwendung finden. Durch den wärmetechnisch günstigen Aufbau des erfindungsgemässen Wärmetauschers wird der genannte Verwendungszweck besonders nahegelegt. Es bereitet keine grossen Schwierigkeiten, insbesondere keine das durch schnittliche Können eines Fachmannes übersteigenden Schwierigkeiten, den vorgeschlagenen Wärmetauscher als MehrzugS ammrohr-Rauchrdhrketssel mit Wasserrohren auszubilden. Bei einer solchen Ausführungsform bildet eine mittige Kammer mit im wesentlichen rundem Querschnitt das Flammrohr, die um diese mittige Kammer angeordneten, im Querschnitt ringförmigen Kammern die Rauchrohre und die die Kammern voneinander trennenden Rohrwendelabschnitte die Wasserrohre.
Eine solche Konstruktion ist ausserordentlich wirtschaft lich, wobei das schon herausgestellte Merkmal einer leichten Anpassung an unterschiedliche Leistungsforderungen besonders zur Geltung kommt. Ein Kessel dieser Art kann auch mit einem Überhitzer gebaut werden. Zu diesem Zweck werden zwischen den die Kammertrennwände einzelner oder mehrerer Baueinheiten bildenden Rohrwendelabschnitte zusätzlich Rohrschlangen angeordnet, die in den die Rauchgaszüge darstellenden Kammern frei aufgehängt und an den Überhitzerkreislauf angeschlossen sind. Die Stirnseiten des Gehäuses werden zweckmässig aus einem feuerfesten Gestein aufgemauert, wobei eine der beiden Stirnmauern als Feuerung z.
B. einen Ölbrenner aufnimmt, dessen Flamme in die mittige, das Flammrohr darstellenden Kammer gerichtet ist.
Zur Herstellung der Umkehrungen für die Rauchgaszüge lassen sich an den äusseren Seiten der zu äusserst befindlichen Baueinheiten zwischen ihren die Kammertrennwände bildenden Rohrwendelabschnitten und dem Mauerwerk freie Durchgänge schaffen. Der letzte Rauchgaszug wird vorteilhaft von den äusseren Rohrwendelabschnitten und der Wand jedes Gehäuselängs abschnittes umschlossen, wobei die genannten Rohrwendelabschnitte mit radialem Abstand von der Wand jedes Gehäuselängsabschuittes angeordnet sind.
Die spezielle Art der im Querschnitt ringförmigen Kammern mit über die gesamte Länge gleichNeibendem Querschnitt gibt dem Konstrukteur die Möglichkeit, die Kammerquerschnitte von Kammer zu Kammer von innen nach aussen kleiner werden zu lassen, mit dem Ziel, dass, wenn die ringförmigen Kammern von einem Gasstrom durchflossen werden, in allen Kammern eine gleichbleibende Gasgeschwindigkeit erreicht wird. Die dazu nötigen Querschnitte lassen sich leicht errechnen.
Man hat dann glatte Kammerwände, gleichbleibenden Kammerquerschnitte und keine in die Kammern hineinragenden Vorsprünge als Voraussetzung für die genannte Massnahme. Bisher war eine gleichbleibende Gasgeschwindigkeit bei solchen als HeiZkessel verwendeten Wärmetauschern nicht ohne weiteres möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt des Erfindungsgegenstandes und
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.
Das auf der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Heizkessel, in der Bauart eines Mehrzug-Flammenrohr- Rauchrohikessels.
Das Gehäuse 1 dieses Kessels ist auf der Zeichnung mit dicken Linien dargestellt. Es hat die Form eines Rohres mit waagerechter Mittelachse. Die Fig. 1 zeigt die Unterteilung des Gehäuses in mehrere Längsab- schnitte 2 mit parallel zueinander und senkrecht zur erwähnten horizontalen Mittelachse liegenden Unterteilungsebenen. Die Enden jedes Gehäuselängsabschnittes 2 sind mit einem nach aussen gerichteten Flansch 3 versehen, so dass die einzelnen Gehäuseteile 2 beispielsweise durch Schrauben unter Zwischenschaltung einer Dichtung miteinander veribindbar sind. In jedem Gehäu selängsabschnitt 2 bzw.
Heizkessel abschnitt sind zwei koaxial ineinander gesteckte Kammerwandabschnitte 4 und 5 angeordnet, die je aus einem Rohrwendelabschnitt mit eng aneinanderliegenden und dicht miteinander verbundenen Windungen gebildet sind, so dass die Gesamtheit der durch die Hilfslinie 6 angedeuteten Kammerwandabschuitte 4 und die Gesamtheit der Idurch die Hilfslinie 7 angedeuteten Kammerwand bschnitte 5 je eine Kammerwand bilden, wobei im Falle des Ausführungsbeispieles diese Kammerwände die Rauchgaszüge einschliessen. In jedem Gehäuselängsabschnitt 2 können natürlich mehr als zwei solche koaxial inein ander gesteckte Kammerwandabschnitte 4 und 5 an,ge- ordnet sein.
Die Zugrichtung der Rauchgase ist zum besseren Verständnis mit dünnen Pfeilen in Fig. 1 angegeben. Zwischen den beiden durch die Hilfslinien 6 und 7 angedeuteten Kammerwänden sind weitere Rohrschlangen 8 erkennbar, deren Windungen jedoch nicht eng aneinanderhegen und, bezogen auf das Beispiel, Abschnitte einer Überhitzerschlange sein können, die in einem der Rauchgaszüge angeordnet ist. Bei der Gestaltung der Kammerwandabschnitte aus Rohrwendelalb- schnitten kann man so vorgehen, dass alle Rohrwendelabschnitte 4 miteinander in Serie geschaltet werden, desgleichen alle Rohrwendelabschnitte 5. Als Verbindungselemente können handelsübliche Rohrkupplungen oder einfache Verbindungsflansche benutzt werden.
Jeder Gehäuseiängsabschnitt 2 bildet zusammen mit den darin angeordneten Rohrwendelabschnitten 4, 5 und 8 und mit den für den Betrieb notwendigen Armaturen und Nebenleitungen und mit den notwendigen Stützteilen eine Baueinheit.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Konstruktion, bei welcher der einen äusseren Kammerwandàbschnitt bildende Rohrwendelabschnitt 4 und der einen inneren Kammerwandabschnitt bildende Rohrwendelabschnitt 5 jeder Baueinheit zu einer durchgehenden Rohrschlange miteinander verbunden sind, deren Enden aus dem Gehäuse herausgeführt wurden, derart, dass das Einlaufende dieser Schlange an einen über alle Heizkesselabschnitte bzw. Baueinheiten durchgehenden Einlaufsammler 9 und das Auslaufende dieser Schlange an einen ebenfalls über alle Heizkesselabschnitte bzw.
Baueinheiten durchgehenden, auf der Zeichnung nicht erkennbaren Auslaufsammler angeschlossen sind. Bei dieser konstruktiven Lösung werden die Rohrwendelabschnitt Kombinationen 4, 5 der einzelnen Baueinheiten parallel durchströmt. Die Anordnung der beiden Sammler ausserhalb des Gehäuses ergibt eine einfachere Lösung und ermöglicht eine baukastenartige Erweiterung bzw. auch Verkleinerung des Kessels, wobei lediglich andere Sammler angefertigt werden müssen.
Der von den Rohrwendelabschnitten bzw. Kammer wandabschnitten 5 umschlossene Raum 10 bildet das Flammrohr. Die beiden Stirnenden des Gehäuses 1 sind je durch ein feuerfestes Mauerwerk 11 bzw. 12 abgeschlossen, wobei das Mauerwerk 12 eine mittige Öff- nung 13 für die Anordnung einer geeigneten Feuerung, z. B. eines Ölbrenners, aufweist. Diese beiden feuerfesten Mauerwerke 11 und 12 bilden an den äusseren
Enden der beiden anschliessenden Baueinheiten zwi schen sich und den die Kammerwandabschnitte bilden den Rohrwendelabschniuen 4, 5 freie Durchgänge 14 und 15, welche als Umkehrungen für die Rauchgaszüge dienen.
Der letzte Rauchgaszug K 1 wird dadurch gebildet, dass die Wand jedes GehäusellängsaAbschnittes 2 mit einigem Abstand die äusseren Kammerwandab schnitte bzw. Rohrwendelabschnitte 4 umgibt. Die Durchströmung in sich abwechselnden Richtungen von innen nach aussen lässt die Rauchgase aus diesem letzten Rauchgaszug K 1 in den Abzug 16 (Fig. 2) gelangen. Man erkennt, dass es relativ einfach ist, den ringförmigen Rauchgaszügen K 1, K 2 einen Querschnitt zu geben, bei dem in allen Rauchgaszügen eine gleichbleibende Gasgeschwindigkeit erreicht wird, wie es eingangs schon erläutert wurde.
Die bei einem Heizkessel erforderliche Isolierung ist so ausgebildet, dass jede Baueinheit auf der Aussenfläche ihres Gehäuselängsteiles 2 eine in sich selbständige Isolierung 19 trägt. Am Aufstellungsort sind daher nur noch die einzelnen Baueinheiten sowie die erforderlichen Überleitungen miteinander zu verbinden, denn jede Baueinheit kann in der Werkstatt vollständig, und zwar einschliesslich aller für den Kesselbetrieb nötigen Hilfseinrichtungen hergestellt und montiert werden.
Um jederzeit, auch nachträglich, eine Erweiterung des Kessels, z. B. in Anpassung an höhere Leistungsforderungen, vornehmen zu können, ist bei der gezeigten liegenden Anordnung vorgesehen, dass jede Baueinheit mit eigenen, auf einem Fundament 17 befestigbaren Stützgliedern 18 ausgerüstet ist.
Schliesslich sind als vorteilhafte Lösung für die Verbindung der einzelnen Baueinheiten untereinander verhältnismässig lange Anker, z. B. Schraubenanker, vorgesehen die parallel zur Gehäusewand alle Verbindungsflansche 3 durchsetzen und lediglich an einem Ende, z. B. mit Hilfe von Muttern oder Keilen, unter Zugspannung gesetzt werden.
Obwohl die Erfindung hier an einem Kessel beispielsweise erläutert wurde, ergibt sich aus der Beschreibung und insbesondere auch aus der schematischen Darstellung der Zeichnung, dass die durch die beschriebenen Gestaltungsregeln für alle Wärmetauscher benutzt werden können, die mehrere, durchströmte, in einem Gehäuse ineinander geschachtelte Kammern aufweisen, deren Wände aus ebenfalls durchströmten, dicht miteinander verbundenen Rohrwendelabschnitten gebildet sind.