Teplosměnná trubka pro topné kotle, zejména pro plynové topné kotle s vysokou účinností

Oblast techniky

Vynález se týká teplosměnné trubky pro topné kotle, zejména pro plynové topné kotle s vysokou účinností, která sestává z ocelové vnější trubky s válcovým hladkým povrchem pro průchod spalovacích plynů z topeniště topného kotle, která je zvenčí obklopena vodou v topném kotli, přičemž v ocelové vnější trubce je zasunuta hliníková profilová vložka, která je pro zvětšení vnitřní plochy ocelové vnější trubky opatřena žebiy probíhajícími v podélném směru této ocelové vnější trubky a je v tepelně vodivém styku s touto ocelovou vnější trubkou.

Dosavadní stav techniky

U kotlů s vysokou účinností, které se používají hlavně jako topné kotle na plyn, se spalovací plyny ochlazují až na hranici kondenzace vlhkosti, obsažené v těchto spalovacích plynech, aby se využilo i kondenzační teplo. Předpokladem pro to je, že topný kotel je provozován s teplotou vody uvnitř tohoto topného kotle, která je na konci dráhy spalovacích plynů topným kotlem nižší než činí teplota rosného bodu spalovacích plynů. Je snaha na pokud možno krátké dráze spalovacích plynů při průchodu vodou chlazenými teplosměnnými trubkami topného kotle ochladit spalovací plyny z vysoké vstupní teploty, která u moderních plynových hořáků může činit kolem 850 °C, na teplotu ležící mezi teplotou rosného bodu a nejnižší teplotou vody ve zpětném vodním okruhu topného kotle, která činí například 30 °C. Pro tento účel jsou známy teplosměnné trubky, které sestávají z válcové vnější trubky s hladkou stěnou z oceli, která je odolná proti kyselině v kondenzátu ze spalovacích plynů. Do této ocelové vnější trubky je zasunuta profilová vložka z hliníku s hvězdicovým průřezem. U topných kotlů nejčastějí používané konstrukce musí být zmíněná vnější trubka z ocele, aby mohla být na svých koncích zavařena do trubkovnic, které vodní prostor kotle, ve kterém jsou uloženy teplosměnné trubky, oddělují na jedné straně od spalovací komory a na druhé straně od sběrné komory pro spalovací plyny topného kotle. Kombinovaná teplosměnná trubka, která je takto složena z ocelové vnější trubky a hliníkové profilové vložky, může být vystavena vysokým vstupním teplotám spalovacích plynů, protože hliník má vyšší koeficient tepelné roztažnosti než ocel, takže hliníková profilová vložka je v místech svého styku s ocelovou vnější trubkou při rostoucí teplotě přitlačována do tepelně vodivého styku s touto ocelovou vnější trubkou dokonce vzrůstající silou. U známých kombinovaných teplosměnných trubek je přestup tepla z hvězdicového hliníkového profilu na ocelovou vnější trubku určen a omezen tím, že hliníková profilová vložka se ocelové vnější trubky dotýká na plochách hřebenů hvězdicových nebo paprskových ramen této hliníkové profilové vložky. Tato ramena mají přitom poměrně tenké stěny, aby se v ocelové vnější trubce zachoval dostatečný světlý průřez pro proudění spalovacích plynů. Z hlediska zavařování ocelových vnějších trubek do trubkovnic se dále ukázalo být nezbytným, aby konce hvězdicové profilové vložky z hliníku byly na koncích ocelové vnější trubky odsazeny dostatečně směrem zpět, aby se tak předešlo zničení hvězdicových ramen hliníkové profilové vložky svařovací teplotou, která působí na konci teplosměnné trubky.

Úkolem vynálezu je nalezení takové konstrukce teplosměnné trubky uvedeného druhu, která umožní další zvýšení přenášeného tepelného výkonu spalovacích plynů na vodu v topném kotli. Dalším úkolem vynálezu je jednoduchá výroba takové teplosměnné trubky a její snadné zabudování do topného kotle.

- 1 CZ 286145 B6

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší a nedostatky obdobných teplosměnných trubek do značné míry odstraňuje teplosměnná trubka pro topné kotle, zejména pro plynové topné kotle s vysokou účinností, která sestává z ocelové vnější trubky s válcovým hladkým povrchem pro průchod spalovacích plynů z topeniště topného kotle, která je zvenčí obklopena vodou v topném kotli, přičemž v ocelové vnější trubce je zasunuta hliníková profilová vložka, která je pro zvětšení vnitřní plochy ocelové vnější trubky opatřena žebry probíhajícími v podélném směru této ocelové vnější trubky a je v tepelně vodivém styku s touto ocelovou vnější trubkou, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že hliníková profilová vložka je tvořena trubkovým tělesem, které je v dělicí rovině probíhající v podélné ose ocelové vnější trubky rozděleno ve dva půlsegmenty, které jsou na svých navzájem na sebe dosedajících podélných okrajích opatřeny drážkovými vybráními a žebrovými výstupky a takto do sebe navzájem kolmo k dělicí rovině těsně zapadají, přičemž oba půlsegmenty jsou na svých vnitřních stranách opatřeny žebry, která vyčnívají do vnitřního světlého průřezu hliníkové profilové vložky a probíhají v podélném směru ocelové vnější trubky tak, že jednotlivé půlsegmenty se svými žebry tvoří jednostranně otevřené profily.

Oba půlsegmenty jsou na vnitřní straně opatřeny žebry uspořádanými na způsob hřebene kolmo k dělicí rovině a probíhajícími ve dvojicích navzájem protilehle až k této dělicí rovině.

Z hlediska utěsnění hliníkové profilové vložky je dále výhodné, jestliže oba půlsegmenty jsou vždy na jednom podélném okraji opatřeny drážkovým vybráním tvořícím těsnicí drážku a na druhém podélném okraji žebrovým výstupkem tvořícím těsnicí žebro s tvarem přizpůsobeným drážkovému vybrání.

K dalšímu zvýšení tepelného výkonu, který je přenášen teplosměnnou trubkou, slouží opatření spočívající vtom, že žebra jsou opatřena žlábkovým profilováním, které probíhá v podélném směru ocelové vnější trubky, popřípadě půlsegmentů.

Dobrý tepelný kontakt mezi ocelovou vnější trubkou a hliníkovou profilovou vložkou je v teplosměnné trubce dále zajištěn tak, že hliníková profilová vložka, která je sestavena z obou půlsegmentů, má vnější průměr odpovídající vnitřnímu průměru ocelové vnější trubky a na celé své obvodové ploše bezprostředně přiléhá na tuto ocelovou vnější trubku, přičemž hliníková profilová vložka je trvalým radiálním zdeformováním celého vnějšího obvodu ocelové vnější trubky s touto ocelovou vnější trubkou slisována.

Dalšího nenákladného zvýšení tepelného výkonu přenášeného teplosměnnou trubkou se dosáhne tak, že mezi vnějšími hranami žeber ve tvaru hřebenu obou půlsegmentů je vložen plochý hliníkový profil ve tvaru desky a žebra při vzájemném sestavení půlsegmentů v hliníkovou profilovou vložku přiléhají svými vnějšími hranami na tento plochý hliníkový profil.

Teplosměnná trubka může být alternativně provedena také tak, že hliníková profilová vložka, která je sestavena z půlsegmentů s hřebenovými žebry, má menší vnější průměr než činí vnitřní průměr ocelové vnější trubky a v prstencovém meziprostoru mezi hliníkovou profilovou vložkou a ocelovou vnější trubkou je uspořádán meziprofíl z hliníku, který sestává z trubkové stěny přiléhající na ocelovou vnější trubku a na způsob věnce z trubkové stěny vystupujících radiálních žeber, která dosahují až k hliníkové profilové vložce, přičemž meziprofíl je rovněž v dělicí rovině, která probíhá v podélné ose ocelové vnější trubky, rozdělen ve dvě jednostranně otevřené poloviny, které jsou na podélných okrajích svých trubkových stěn provedeny na způsob těsnění a přiléhají na sebe navzájem a meziprofíl je trvalým radiálním zdeformováním ocelové vnější trubky tepelně vodivě slisován jak s touto ocelovou vnější trubkou, tak i s vnitřní hliníkovou profilovou vložkou.

-2CZ 286145 B6

Hliníková profilová vložka ve tvaru válcového tělesa v teplosměnné trubce podle vynálezu může být vyrobena s velmi velkou vnitřní teplosměnnou plochou, která je ve styku se spalovacími plyny. Dosahuje se toho s výhodou žebry uspořádanými na způsob hřebene na vnitřních stranách obou půlsegmentů. Další výhoda ve srovnání se známými teplosměnnými trubkami spočívá v tom, že hliníková profilová vložka je svým vnějším obvodem s vnitřním obvodem zvenčí vodou chlazené ocelové vnější trubky ve styku na podstatně větší ploše, zásluhou čehož se podstatně zvýší tepelný výkon přenášený ze spalovacích plynů do vody v topném kotli. Při pokusech se zjistilo, že u topného kotle s vysokou účinností, u kterého má voda ve zpětném vodním okruhu na vstupu do topného kotle teplotu kolem 30 °C, lze s délkou teplosměnné trubky podle vynálezu pouze 50 cm dosáhnout toho, že spalovací plyny vstupující do teplosměnné trubky s teplotou přibližně 850 °C se v teplosměnné trubce podle vynálezu ochladí na výstupní teplotu přibližně 48 °C, která je tedy jen nevysoko nad výstupní teplotou vody ve zpětném vodním okruhu topného kotle. Tento vynikající výsledek nebyl až dosud dosažitelný žádnou známou a pro topné kotle s vysokou účinností vhodnou teplosměnnou trubkou.

Malá délka teplosměnné trubky přináší další podstatnou výhodu spočívající vtom, že kotel s vysokou účinností jako celek může být při svislém uspořádání teplosměnných trubek nižší, popřípadě při vodorovném uspořádání teplosměnných trubek kratší, takže topný kotel je pak také prostorově úspornější. Přes provedení hliníkové profilové vložky s velkou styčnou plochou vůči ocelové vnější trubce a s vysokou hustotou teplosměnných ploch uvnitř hliníkové profilové vložky ve tvaru trubkového tělesa lze zásluhou rozdělení této hliníkové profilové vložky ve dva půlsegmenty a provedení každého půlsegmentů včetně jeho žeber jako jednostranně otevřeného profilu dosáhnout jednoduché a cenově příznivé výroby této teplosměnné trubky. Při výrobě ve vytlačovacích lisech nejsou v tažné matrici zapotřebí žádná takzvaná plovoucí jádra, takže tažná matrice je levnější a trvanlivější. Zvláštní výhodou při dalším zpracování teplosměnné trubky podle vynálezu, popřípadě při jejím zabudovávání do topného kotle, je skutečnost, že při zavařování ocelové vnější trubky do trubkovnice zásluhou extrémně velké styčné plochy pro přestup tepla a schopnosti hliníkové profilové vložky odvádět teplo nedojde ke zničení nebo poškození této hliníkové profilové vložky, a to ani v případě, že konec hliníkové profilové vložky dosahuje až ke konci ocelové vnější trubky, který se zavařuje do trubkovnice, a lícuje s tímto koncem. Teplosměnná trubka podle vynálezu se tedy nemusí vyrábět nebo upravovat tak, aby konce hliníkové profilové vložky byly vůči koncům ocelové vnější trubky zapuštěny směrem dovnitř. Teplosměnná trubka se pro zabudování do topného kotle tedy může oddělit v potřebné délce od vyrobeného metrového polotovaru rovným řezem a konce se nemusejí zvlášť upravovat. Zásluhou opatření navzájem na sebe dosedajících podélných okrajů obou půlsegmentů drážkovými vybráními a žebrovými výstupky se dosáhne utěsnění na způsob labyrintu a předejde se existenci štěrbin, kterými by spalovací plyny nebo kondenzát pronikaly mezi hliníkovou profilovou vložku a ocelovou vnější trubku, kde by v tomto prostoru mohly vyvolat korozi. Když hliníková profilová vložka v nejjednodušším provedení teplosměnné trubky podle vynálezu celou svou obvodovou plochou přiléhá přímo na vnitřní obvodovou plochu ocelové vnější trubky, může se teplosměnná trubka vyrábět jednoduše tak, že trubkové těleso hliníkové profilové vložky má vnější průměr, který odpovídá vnitřnímu průměru ocelové vnější trubky, takže hliníkovou profilovou vložku lze snadno zasunout do ocelové vnější trubky. Ocelová vnější trubka se pak radiálně trvale stlačí například válcováním nebo tažením a přitlačí tak k hliníkové profilové vložce. Navzájem na sebe dosedající podélné okraje obou půlsegmentů, jakož i trubkové těleso a ocelová vnější trubka se takto stlačí do té míry, že jíž nejsou žádné štěrbiny. Toto je důležité také pro čelní strany konců teplosměnné trubky, které procházejí skrze trubkovnici, protože je třeba zajistit, aby ani tam nemohly mezi trubkové těleso hliníkové profilové vložky a ocelovou vnější trubku proniknout spalovací plyny nebo kondenzát.

Přehled obrázků na výkresech

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho provedení, které jsou popsány na základě připojených výkresů, které znázorňují

-3CZ 286145 B6

- na obr. 1 provedení teplosměnné trubky s hliníkovou profilovou vložkou, která bezprostředně přiléhá na ocelovou vnější trubku,

-naobr. 2 provedení teplosměnné trubky odpovídající provedení zobr. 1, doplněné jednoduchým opatřením ke zvětšení vnitřní plochy,

-na obr. 3 provedení teplosměnné trubky s hliníkovou profilovou vložkou zobr. 1, přiléhající na ocelovou vnější trubku přes meziprofil.

Příklady provedení vynálezu

Teplosměnná trubka, která je znázorněna na obr. 1, sestává z ocelové vnější trubky 1 válcového tvaru s hladkým povrchem, která je vyrobena z korozivzdomé chromové oceli. V této ocelové vnější trubce 1 je uspořádána hliníková profilová vložka 2, která je tvořena trubkovým tělesem, které je v dělicí rovině, která probíhá v podélné ose ocelové vnější trubky 1, rozděleno na dva půlsegmenty 3, 4. Tyto půlsegmenty 3, 4 jsou na svých vnitřních stranách opatřeny žebry 5, která probíhají v podélném směru ocelové vnější trubky 1 a vyčnívají do světlého průřezu hliníkové profilové vložky 2, přičemž každý půlsegment 3, 4 se svými žebry 5 tvoří jednostranně otevřený profil, takže půlsegmenty 3, 4 lze snadno a levně vyrábět tažným lisováním, popřípadě v tažné matrici, aniž by se muselo použít takzvané plovoucí jádro. Je zvláště výhodné, jestliže žebra 5 jsou podle obr. 1 na vnitřních stranách obou půlsegmentů 3, 4 vytvořena jako hřeben kolmo k dělicí rovině, přičemž tato žebra 5 obou půlsegmentů 3, 4 jsou po dvojicích uspořádána proti sobě a probíhají až k dělicí rovině nebo přinejmenším do blízkosti této dělicí roviny. Zejména při tomto hřebenovém uspořádání žeber 5 mohou být tato žebra 5 navíc při vytlačování půlsegmentů 3, 4 opatřena žlábkovým profilováním, které probíhá v podélném směru ocelové vnější trubky 1, popřípadě půlsegmentů 3, 4. Tímto profilováním se dosáhne velmi účinného zvětšení teplosměnné vnitřní plochy hliníkové profilové vložky 2, která je ve styku se spalovacími plyny. Na svých podélných okrajích 6, které na sebe navzájem dosedají v dělicí rovině, jsou oba půlsegmenty 3, 4 opatřeny drážkovými vybráními 7 a žebrovými výstupky 8, které lze navzájem do sebe sesadit ve směru kolmém k dělicí rovině. Podélné okraje 6 pak zasahují do sebe navzájem na způsob labyrintového těsnění. Utěsnění obou styčných míst mezi podélnými okraji 6 půlsegmentů 3, 4 je důležité z toho důvodu, aby zde nebyla žádná štěrbina, jíž by mezi ocelovou vnější trubku 1 a hliníkovou profilovou vložku 2 pronikaly spalovací plyny nebo kondenzát, což by v tomto prostoru vedlo ke korozi. Jestliže jsou oba půlsegmenty 3, 4, jak je znázorněno na obr. 1, na jednom svém podélném okraji 6 opatřeny drážkovým vybráním 7 a na druhém podélném okraji 6 žebrovým výstupkem 8, mohou být oba půlsegmenty 3, 4 v potřebné délce odděleny od téhož profilového výtlačku vyrobeného plynulým vytlačováním. Po otočení jednoho z půlsegmentů 3, 4 o 180° kolem jeho podélné osy se tento půlsegment 3, 4 sesadí s druhým půlsegmentem 3, 4. Na obr. 1 je teplosměnná trubka pro názornost vyobrazena v ještě nedokončeném stavu. Trubkové těleso, to jest hliníková profilová vložka 2, která je sestavena z půlsegmentů 3,4 a která v příkladu provedení podle obr. 1 celou svou obvodovou plochou přiléhá k ocelové vnější trubce 1, je vyrobena s vnějším průměrem, který je přiměřeně menší než vnitřní průměr ocelové vnější trubky 1, aby bylo možno zasunout tuto hliníkovou profilovou vložku 2 bez problémů do ocelové vnější trubky L Poté se průměr ocelové vnější trubky 1 válcováním nebo tažením na celém obvodu trvale zmenší, aby se dosáhlo plného těsného kontaktu celé vnější plochy hliníkové profilové vložky 2 s vnitřním povrchem ocelové vnější trubky 1, což je velmi důležité pro přestup tepla. Při tomto stahování jsou navzájem staženy i podélné okraje 6 půlsegmentů 3, 4, které do sebe navzájem zasahují drážkovými vybráními 7 a žebrovými výstupky 8, a to tak, že zaniknou případné štěrbiny a tato místa jsou pak absolutně těsná proti spalovacím plynům nebo kondenzátu. Uvedené spojení je tak těsné, že dokonce na mikrovýbrusu průřezu hotové teplosměnné trubky není patrný přechod mezi podélnými okraji 6 půlsegmentů 3, 4. Těsné vzájemné slisování ocelové vnější trubky 1 a hliníkové profilové vložky

-4CZ 286145 B6 na jejich styčných plochách kromě toho zabraňuje i tomu, aby spalovací plyny nebo kondenzát mohly proniknout mezi ocelovou vnější trubku 1 a hliníkovou profilovou vložku 2 na čelní straně teplosměnné trubky, zabudované již v topném kotli. Mimořádně dobrý přestup tepla v teplosměnné trubce mezi hliníkovou profilovou vložkou 2 a ocelovou vnější trubkou J se také s opačným směrem průchodu tepla překvapivě příznivě projevuje i při zavařování konců teplosměnných trubek do trubkovnic topného kotle. Pokusy s tímto svařováním ukázaly, že i tehdy, když čelní strana hliníkové profilové vložky 2 lícuje s čelní stranou ocelové vnější trubky 1, nedojde překvapivě k poškození nebo roztavení hliníku, ačkoliv ocelová vnější trubka 1 z chromové oceli musí být s trubkovnicí topného kotle spojena tekutou taveninou svařovacího materiálu. Teplosměnná trubka tedy může být na délky potřebné pro topný kotel oddělována z připraveného metrového polotovaru teplosměnné trubky jednoduchým řezem, například pilou a podobně.

Na obr. 2 je znázorněn příklad provedení teplosměnné trubky, který je obdobou příkladu provedení z obr. 1. Vnější hrany na způsob hřebenu uspořádaných žeber 5 zde mají mezi sebou takovou vzdálenost, že mezi tyto vnější hrany může být vložen plochý hliníkový profil 9 ve tvaru desky. Výška žeber 5 je volena tak, že po sestavení půlsegmentů 3, 4 v hliníkovou profilovou vložku 2 dosednou uvedené hrany svými čelními plochami, které odpovídají průřezu žeber 5, plně a bez štěrbin na plochý hliníkový profil 9 a jsou k němu přitlačeny. Takto se dosáhne spolehlivého styku s přestupem tepla mezi plochým hliníkovým profilem 9 a žebry 5. Kromě toho, navzájem na sebe dosedající podélné okraje 6 obou půlsegmentů 3, 4 mohou být provedeny tak, že mezi sebou v hotové teplosměnné trubce sevřou podélné okraje plochého hliníkového profilu 9, čímž je zajištěn dobrý přestup tepla. Pomocí plochého hliníkového profilu 9, který je vložen mezi půlsegmenty 3, 4, lze teplosměnnou vnitřní plochu hliníkové profilové vložky 2 dále jednoduchým a levným způsobem zvětšit o nezanedbatelnou hodnotu 10 % i více.

Na obr. 3 je znázorněn příklad provedení, podle kterého hliníková profilová vložka 2 v provedení podle obr. 1 nepřiléhá svým vnějším obvodem bezprostředně na vnitřní obvod ocelové vnější trubky 1, nýbrž má menší vnější průměr než je vnitřní průměr této ocelové vnější trubky L V takto vzniklém prstencovém meziprostoru mezi ocelovou vnější trubkou 1 a hliníkovou profilovou vložkou 2 je uspořádán meziprofil 10 ve tvaru dutého válce z hliníku. Tento meziprofil 10 sestává z trubkové stěny, která celou svou vnější obvodovou plochou tepelně vodivě přiléhá na celou vnitřní plochu ocelové vnější trubky 1, a z radiálních žeber 11 uspořádaných na způsob věnce na vnitřní straně této trubkové stěny, která dosahují až k vnějšímu obvodu hliníkové profilové vložky 2 a dosedají plošně a tepelně vodivě na vnější stranu této hliníkové profilové vložky 2. Meziprofil JO je podobně jako vnitřní hliníková profilová vložka 2 v dělicí rovině, která probíhá v podélné ose ocelové vnější trubky 1, rozčleněn ve dvě jednostranně otevřené poloviny, které rovněž mohou být v jednoduché tažné matrici bez plovoucího jádra vyrobeny z hliníku tažením. Meziprofil 10 je podobně jako hliníková profilová vložka 2, která byla podrobně popsána v souvislosti s obr. 1, proveden s do sebe navzájem těsně zapadajícími podélnými okraji obou zmíněných polovin. Na rozdíl od provedení podle obr. 1 se v provedení podle obr. 3 může dosáhnout zvětšení celkové teplosměnné vnitřní plochy, která je ve styku se spalovacími plyny, až o 100%. Zásluhou toho pak lze dále zmenšit délku teplosměnné trubky a přesto se v topném kotli dosáhne ochlazení spalovacích plynů ze vstupní teploty například 850 °C na výstupní teplotu ležící hluboko pod hranicí rosného bodu spalovacích plynů, například na 48 °C.