DE102006038982B4

DE102006038982B4 - Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Latentwärme von Abgasen

Info

Publication number: DE102006038982B4
Application number: DE102006038982A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Hoefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Kaya Okan De
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-08-22
Also published as: DE102006038982A1

Abstract

Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Latentwärme von Abgasen mit keramischen Wärmetauscherrohren, wobei die Rohre (1) jeweils in Metallböden (4) aufgenommen sind, wobei die jeweilige Endenaufnahme und das Widerlager der Rohre (1) in den Metallböden (4) unterschiedlich ausgebildet sind, wobei die Endenaufnahme eine Rohraufnahme (13), eine Buchse (10) sowie einen O-Ring (2), angeordnet zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der Buchse (10) und dem Rohr (1), aufweist und das Widerlager eine Sacklochbohrung (14) mit einer Abstufung und einen O-Ring (18), angeordnet zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der Abstufung und dem Rohr (1) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, nämlich einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Latentwärme von Abgasen.
So dient die Erfindung bspw. zur separaten Befestigung von keramischen Wärmetauscherrohren in Rohrbündelwärmetauschern und betrifft eine Anlage zur Verwendung der Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine konstruktive Lösung keramische Wärmetauscherrohre mit Metallböden ohne Verschraubungen, Verklebungen oder Verschweißungen zu verbinden, um ein Tauscherbündel herzustellen.
Rohrbündelwärmetauscher werden zur Übertragung von Wärmeenergie von einem Medium auf ein anderes verwendet. Im vorliegenden Fall ist das wärmeführende und auszukühlende Medium Abgas aus der Verbrennung und das zweite Medium, welches die Wärme aus dem Abgas aufnimmt, vorzugsweise Heizungs- oder Trinkwasser sowie Luft. Hierbei werden die beiden Medien durch einen Separator räumlich voneinander getrennt geführt. In Abhängigkeit der Strömungsrichtung unterscheidet man Gegenstrom-, Kreuzstrom- und Gleichstromwärmetauscher.
Wärmetauscherrohre auf keramischer Basis zeichnen sich im Vergleich zu Wärmetauscherrohren auf Metallbasis durch eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit und erhöhte Wärmeleitfähigkeit aus. Sie kommen daher vorteilhaft in Wärmetauschern zum Einsatz, in denen korrosive und/oder aggressive Medien erwärmt bzw. abgekühlt werden, wobei der Säuretaupunkt und Wassertaupunkt der abzukühlenden Medien unterschritten werden sollen. Hierbei werden Verbindungen wie Nitride oder Carbide sowie Graphit mit zu den keramischen Werkstoffen gezählt, da diese allesamt eine ähnlich niedrige Duktilität aufweisen.
Aus der DE 33 10 986 A1 ist ein Rohrbündelwärmetauscher mit Rohrböden aus Kunststoff bekannt. Die Rohrböden weisen Bohrungen mit einer Abstufung auf, wobei die Rohre mit Hilfe einer das jeweilige Rohr umfänglich umgebenden Dichtung eingedichtet sind. Die Dichtung wird dabei mit einer in den weiteren Teil der Bohrung eingeschraubten Gewindebuchse unter Spannung gehalten. Als Dichtung wird ein Klemmring aus Kunststoff mit zylindrischem Durchgang verwendet, wobei die beiden Stirnseiten des Klemmrings konisch angespitzt geformt sind.
Aus der US 5 515 14 A ist ein Wärmetauscher mit in Böden aufgenommenen Rohren bekannt. Die Böden weisen für jedes Rohr eine gestufte Aufnahme mit einem engeren und einem weiteren Abschnitt auf. Der engere Abschnitt liegt an dem Umfang des Rohres an. Im weiteren Abschnitt ist ein Dichtungsring angeordnet, der ebenfalls am Außenumfang des Rohres anliegt. In den weiteren Abschnitt ist eine Gewindebuchse eingeschraubt, die den Dichtungsring gegen die Umfangsfläche des Rohres drückt.
Die EP 0 632 238 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen von Feuerungsanlagen mit einem Wärmetauscher. Hierbei werden die Abgase in einem Rohrbündelwärmetauscher unter den Säuretaupunkt oder Wassertaupunkt abgekühlt. Dabei kondensieren die Abgase und die Latentwärme wird von dem Medium, welches die Keramikrohre durchströmt, aufgenommen. Dieser thermodynamische Vorgang entsteht bei einer Abkühlung der Abgase aus Erdgas unter 57°C und bei Heizöl unter 47°C. Das anfallende Kondensat hat eine Temperatur, entsprechend zu den abgekühlten Abgasen. Dies geschieht, um die in den Abgasen enthaltene Kondensations- bzw. Latentwärme ebenfalls zu nutzen und um die Effektivität der Energierückgewinnung zu steigern. Dabei kondensiert Wasser an den Wärmetaucherrohren. In Kombination mit in Abgasen enthaltenen sauren und/oder basischen Bestandteilen können dadurch heiße Laugen bzw. Säuren und/oder Salzlösungen mit einer Temperatur knapp unterhalb ihres Siedepunktes direkt im Wärmetauscher anfallen.
Die DE 44 36 412 C2 befasst sich mit einem naturgemäß verwandten Verfahren und einer Anlage zur Rückgewinnung von latenter und trockener Wärme aus den Abgasen von Feuerungsanlagen. Hierin werden für saure Betriebsbedingungen, d. h. wegen der entstehenden sauren Kondensate, Wärmetauscherrohre aus Legierungen, Kunststoffen sowie imprägniertem Elektrographit vorgeschlagen.
Legierungen gehen mit dem Nachteil einher, dass diese mit Salzen niedrig schmelzende Eutektika bilden können, welche eine um Größenordnungen beschleunigte Korrosion bedingen können. Kunststoffe hingegen weisen im Vergleich mit Graphit eine um zwei bis drei Größenordnungen niedrigere Wärmeleitfähigkeit auf, was die Effektivität der Wärmetauscherrohre einschränkt.
Wärmetauscherrohre auf Keramikbasis sind somit vor allem für Wärmetauscher, welche unabhängig von der Art der eingesetzten, primären Energiequelle und unabhängig von der Art der Feuerung bzw. Verbrennung auf lange Zeit die Rückgewinnung von trockener und latenter Wärme erlauben sollen, zu bevorzugen.
Gemäß dem Stand der Technik werden, wie z. B. in der DE 44 36 412 C2 beschrieben, Rohrbündelwärmetauscher komplett in einzelnen Modulen aus imprägniertem Elektrographit gefertigt. Hierbei werden einzelne Wärmetauscherrohre endständig auf der Außenseite konisch verjüngt und mit einem Bindemittel, enthaltend Graphit und Harze, verklebt.
Anschließend kann das fertige Modul in einem Wärmetauscher eingesetzt werden, wobei die Stirnseiten aus Graphit gemeinsam mit den in diesen Bauteilen verklebten Rohren ein Modul bilden. Die Außenseiten sind mit Graphitplatten verschlossen, sodass sich innen der mediumführende Raum bildet. Die genannten Stirnseiten aus Graphit werden weiterhin mit sogenannten Wasserumlenkungen aus Stahl geschlossen, damit das Tauschermedium die Graphitrohre in den Tauscherbündeln meanderartig durchströmen kann. Die Wasserumlenkungen aus Stahl werden mit Schraubbolzen in metallische Vorrichtungen eingeschraubt, die in den Graphitboden eingesetzt sind. Über die Flansche wird später im Betrieb das Wärmetauschermedium zu- bzw. abgeführt.
Problematisch bei den Wärmetauschern nach dem vorbeschriebenen Stand der Technik sind sowohl die Verbindung der Rohre mit den Stirnseiten aus Graphit wie auch die Verbindung der Abdeckung zur Bildung der Wassertaschen mit den Graphitboden, was letztlich zu einer begrenzten Lebensdauer des Wärmetauschers führt. Die Graphitplatten und Graphitstirnseiten werden häufig auch als Graphitboden bezeichnet.
Es zeigte sich, dass nach dem zuvor genannten Stand der Technik nach Betriebszeiten von mehreren Jahres es zu einem Nachlassen der Klebefunktion des zuvor genannten Klebers kommen kann Eine Leckage zwischen den Graphitrohren und dem Graphitboden ist die Folge. Eine Reparatur des so beschädigten Moduls ist in der Praxis nicht wirtschaftlich. Zum weiteren Betrieb eines derartig mit einer Leckage behafteten Wärmetauschers werden nach dem Stand der Technik die betreffenden Rohre verstopft und somit aus dem Wärmetauschvorgang ausgeschlossen. Weiterhin zeigte sich, dass die im Graphitboden eingelassenen Stahlteile zur Aufnahme der Schraubbolzen unter Betriebsbedingungen eine derartige Belastung auf die Graphitboden ausüben, dass es in diesen zu Rissbildungen kommen kann. Eine Rissbildung im Graphitboden ist in der Regel irreparabel und hat den Austausch des kompletten Moduls zur Folge.
Auch eine indirekte Verbindung nach dem Stand der Technik, wie sie in 1 schematisch veranschaulicht wird, führte zu einer ungenügenden Verbindung von Wärmetauscherrohr und Stahlflansch. Hierbei wurde über das freie Ende eines einzelnen, längserstreckten Wärmetauscherrohrs 1 aus Graphit ein thermostabiler O-Ring 2 mit leichter Spannung außenseitig aufgezogen. Das Rohr liegt hierbei spannungsfrei im Gehäuse eines Wärmetauschers nahe seiner nach außen überstehenden Enden in Durchführungen 6 auf. Ein Überwurfring 7 erlaubt über Flügelschrauben 8, welche in ein Innengewinde im Flansch 3 eingreifen, das Aufbringen einer Klemmspannung auf den O-Ring 2. Durch diese Maßnahme erfährt der O-Ring 2 eine Flächenpressung an das Wärmetauscherrohr 1 einerseits und an den Stahlflansch 3 andererseits. Das gegenüberliegende Ende des Wärmetauscherrohrs 1 wurde auf die gleiche Art und Weise mit einem Flansch 3 verbunden. Diese Art Verbindung war jedoch nicht geeignet, dem erhöhten Druck des zu- bzw. abgeführten Wärmetauschermediums standzuhalten. Erst nachdem das Graphitrohr mit einer außenseitigen Profilierung versehen worden war, in welche ein etwas kleinerer O-Ring bündig eingriff, waren Drücke bis 0,3 bar ohne Austritt von Wärmetauschermedium zugänglich. Dieser Wert ist in Anbetracht der üblichen Betriebsdrücke von 6 bis 8 bar inakzeptabel. Ein weiteres Erhöhen der Klemmspannung führte schließlich zum Brechen des Rohrs entlang der Profilierung. Rohre auf SiC-Basis erlaubten zwar maximale Drücke von 1,7 bar, zeigten bei Temperaturen von mehr als 40°C jedoch deutliche Klemmspannungen auf Grund von thermischer Ausdehnung, was schließlich nach einigen Tagen zu einem Ermüdungsbruch im Bereich der Einkerbung führte. Das Verwenden von dickwandigeren Rohren ermöglichte 0,5 bar höhere Maximaldrücke, reduzierte aber die im Wärmetauscher aufgenommene Energiemenge um mehr als 50%.
1b und 1c stellen ebenfalls die zuvor erläuterten im Stande der Technik bekannten Verbindungsformen des Rohres mit der Graphitplatte dar. Dabei zeigen die Figuren jeweils das Rohr 1 sowie die Graphitplatte 28, wobei in die Graphitplatte 28 Aufnahmeöffnungen für das Rohr 1 eingebracht sind. Gemäß der ist die Öffnung konisch mit entsprechender Ausformung des Rohrendes. Gemäß 1c ist die Ausnehmung zylindrisch entsprechend dem Rohrdurchmesser. Zwischen den Wandungen der Graphitplatte innerhalb der Öffnung sowie der Rohraußenseite ist ein sogenannter Zement 29 in der zuvor genannten Form eingebracht, welcher nachfolgend mit den zuvor genannten Verfahren verfestigt wird. Aus den Figuren zeigt sich bereits ein weiteres Problem bei der Verbindung des Graphitrohres 1 mit der Graphitplatte 28 nach dem Stande der Technik. Vor Abhärtung des Zementes 29 ist das Graphitrohr in der Ausnehmung genau zu positionieren und zu halten, um ein Auspressen des nicht-verhärteten Zementes zu verhindern. Nur geringfügige Bewegungen des Rohres nach Einbringen des Rohres in die mit Zement ausgefüllte Ausnehmung der Graphitplatte können zu Spaltenbildung und/oder verminderter Festigkeit der Verbindung führen.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur separaten Befestigung von keramischen Wärmetauscherrohren in Rohrbündelwärmetauschern anzubieten, welche die erläuterten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Des Weiteren soll es die langfristige und kostengünstige Verwendung des Rohrbündelwärmetauschers in einer Anlage bei maximaler Effektivität unabhängig von der Art der eingesetzten, primären Energiequelle und unabhängig von der Art der Feuerung bzw. Verbrennung erlauben. Weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art mit verbesserter Effizienz und Wartungseigenschaften bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zur Lösung der zuvor genannten Aufgaben geht die vorliegende Erfindung den Weg auf die Verwendung von seitlichen Graphitböden oder -platten gänzlich zu verzichten.
Im Kerngedanken der vorliegenden Erfindung werden das keramische Rohr bzw. die Rohre von Metallböden getragen, wobei die Endenaufnahme und das Widerlager der Rohre jeweils unterschiedlich ausgestaltet sind. Vorzugsweise sind die Metallböden als Rahmen ausgestaltet.
Zum Zwecke der Beschreibung werden nachfolgend die Begriffe Stahlböden, Stahlrahmen sowie Graphitrohr verwendet. Es versteht sich, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung der Begriff Stahlböden, bzw. Stahlrahmen jede Form von Metallböden oder Metallrahmen umfasst, die aus einem geeigneten Metall hergestellt sind. Der Begriff Graphitrohr umfasst jede Form von Rohr aus keramischem Material, das für die Verwendung in Wärmetauschern der vorliegenden. Art geeignet ist.
Die Unterschiedlichen Aufnahmen des Rohres an ihren jeweiligen Enden in dem Metallboden werden nachfolgend anhand den 2 und 3 erläutert.
Die erfindungsgemäße Lösung des zuvor geschilderten Problems gelang den Erfindern mit dem in 2 schematisch veranschaulichten Kunstgriff, darstellend die Endenaufnahme für Rohr 1. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist eine Flächenpressung eines O-Rings 2 auf die Querschnittsfläche des keramischen Wärmetauscherrohrs 1 in Richtung seiner Längsachse. Konstruktiv wird dies ermöglicht, indem im Metallboden 4 eine von der Außenseite her durchgeführte Rohraufnahme 13 angeordnet wird, welche mit einem Innengewinde 9 versehen wird. Außenseitig in der Rohraufnahme 13 ist eine Buchse 10 angeordnet, die mit ihrem Außengewinde in das Innengewinde 9 eingreift Die Buchse 10 stellt damit im eingeschraubten Zustand den Anschlag für das Rohr 1 dar. Zum Zwecke der Montage oder des Rohraustausches kann die Buchse 10 entfernt werden und das Rohr 1 durch die Rohraufnahme 13 herausgezogen werden.
Zwischen den zueinander zugewandten Stirnseiten der Buchse 10 sowie dem Rohr 1 ist ein O-Ring 2 angeordnet. Der O-Ring 2 besteht aus einem elastischen Material, vorzugsweise einem elastomeren. Im verbautem Zustand wird das Rohr 1 durch Eindrehen der Buchse 10 in das Gewinde 9 über den O-Ring 2 belastet. Weiteres Anziehen der Buchse 10 erlaubt die Flächenpressung des O-Ringes 2 auf die Querschnittsfläche des Rohres 1. Der O-Ring 2 dichtet damit das Rohr 1 ab. Gleichzeitig hält der O-Ring 2 aufgrund seiner dauerelastischen Eigenschaften in Zusammenwirkung mit dem korrespondierenden O-Ring der nachfolgend noch erläuterten weiteren Rohraufnahme das Rohr 1 elastisch in seiner Position.
Die zuvor erläuterte erfindungsgemäße Aufnahme und Abdichtung weist den Vorteil auf, dass das Wärmetauscherrohr 1 ausschließlich axial belastet wird.
Die Buchse 10 ist hohl, um einen Durchlass für die Wärmetauscherflüssigkeit vorzusehen. Auf der Außenseite, d. h. der dem Wärmetauscherraum abgewandten Seite des Wärmetauschers, weist die Buchse die Durchführung 6 auf. Geeigneterweise ist die Durchführung 6 zum Eingriff eines Drehwerkzeuges bekannter Art ausgebildet. Abhängig von der Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums fließt mithin das Wärmetauschermedium durch das Rohr 1, durch den Innenraum der Buchse 10 und anschließend durch die Durchführung 6, bzw. in umgekehrter Richtung. Auf der Außenseite des Metallbodens 4 schließt sich dann eine sogenannte Wassertasche (nicht gezeigt) bekannter Art an. Die Wassertasche wird durch eine Abdeckung gebildet, wie nachfolgend noch erläutert und kann mit bekannten Mitteln, wie beispielsweise Bolzen, in den Gewindebohrungen 15 befestigt werden.
Auf der Innenseite des Metallbodens 4 ist eine Korrosionsschutzabdeckung 5 angeordnet. Die Korrosionsschutzabdeckung 5 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial wie GFK oder Teflon, insbesondere Teflon, gebildet. Die Korrosionsschutzabdeckung 5 kann Abdichtungseinrichtungen 17 aufweisen, beispielsweise in Form von Nuten oder anders gearteten geeigneten Abdichtungseinrichtungen. Die Abdichtungseinrichtungen 17 bewirken eine Abdichtung gegenüber der Deckenplatte, Bodenwanne oder gegebenenfalls weiteren Wärmeaustauschermodulen, wie dies nachfolgend noch erläutert wird. Wesentlich ist dabei alleine, dass eine Abdichtung gegenüber dem Austritt von Rauchgas oder Kondensat verhindert wird.
Weiterhin kann die Korrosionsschutzabdeckung in dem Durchlass für das Wärmetauscherrohr 1 einen weiteren Dichtungsring 16 aufweisen. Geeigneterweise ist der Dichtungsring 16 in einer innerhalb der Korrosionsschutzabdeckung angeordneten Ringnut eingelegt. Der Dichtungsring 16 schließt den Durchlass für das Wärmetauscherrohr gas- und kondensatdicht ab und verhindert insbesondere ein Ausfließen des Kondensates entlang der Rohre 1 in Richtung auf den Metallboden 4.
3 veranschaulicht schematisch das Widerlager auf der gegenüberliegenden Seite des Rohres 1. Hier weist der Metallboden 4 eine Sacklochbohrung 14 mit einer Abstufung auf, wobei deren außenseitiger Innendurchmesser kleiner ist, als der Außendurchmesser des Wärmetauscherrohrs 1. Der außenseitige Abschnitt der Sacklochbohrung ist durch den Metallboden 4 hindurchgeführt, zum Durchlass des Wärmetauschermediums durch den Metallboden 4. Das Rohr 1 taucht mit seinem Ende in die bündig passende Sacklochbohrung in der Korrosionsschutzabdeckung 5 und den Metallboden 4 ein. Zwischen dem stirnseitigen Ende des Rohres 1 und Abstufung der Sacklochbohrung 14 ist ein O-Ring 18 angeordnet. Der O-Ring 18 wird durch Anziehen der Buchse 10 (2) der erfindungsgemäßen Flächenpressung unterworfen.
Die in den Figuren veranschaulichte Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Befestigung von keramischen Wärmetauscherrohren geht mit dem Vorteil einher, dass sämtliche Wärmetauscherrohre von einer Seite eines erfindungsgemäß aufgebauten Wärmetauschers separat justiert sowie einzeln ausgetauscht werden können. Den Kern eines entsprechenden Wärmeaustauschers gibt 4 schematisch wieder. Die längserstreckten Wärmetauscherrohre 1 sind in ihrer obersten Lage sichtbar. Ist ein Wärmetauscherrohr defekt, so können nach dem Herausdrehen der Buchsen 10 einzelne Wärmetauscherrohre 1 entnommen und ausgetauscht werden. Einer Leistungsreduzierung des gesamten Wärmetauschers wird somit einfach und effektiv entgegengewirkt.
Anhand der 4 wird ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Korrosionsschutzabdeckung 5 kann geeigneterweise flexibel an dem Metallboden 4 befestigt werden. Flexibel im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet dabei, dass die Korrosionsschutzabdeckung 5 nicht flächig an dem Metallboden 4 befestigt ist, wie beispielsweise im Sinne einer Compound-Verbindung. Vielmehr hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass soweit die Korrosionsschutzabdeckung 5 nur punktuell befestigt ist, die zueinander gewandten Oberflächen der Korrosionsschutzabdeckung 5 sowie der Metallböden 4 aufeinander gleiten können. Durch diesen Kunstgriff können im Wesentlichen Spannungsbrüche bei unterschiedlichen Betriebszuständen und damit verbundenen unterschiedlichen Temperaturlagen im Wärmeaustauscher vermieden werden. In der in 4 dargestellten Ausführungsform werden die Korrosionsschutzabdeckungen 5 durch Abdeckungsbefestigungen 19 gehalten, die bolzenartig durch die Metallböden hindurchragen. Dabei greift das innenraumseitige Ende der Abdeckungsbefestigung in entsprechende Ausnehmungen auf der der Außenseite zugewandten Seite der Korrosionsschutzabdeckung 5 ein. Die beschriebene Form der Befestigung der Abdeckung weist dabei den Vorteil auf, dass innenraumseitig keinerlei Öffnungen oder Durchbrüche im Eingriffsbereich der Abdeckungsbefestigung 19 auftreten. Ein Austreten von Rauchgasen oder Kondensat kann damit effektiv verhindert werden.
5 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Rohraufnahme gemäß der vorliegenden Erfindung als Kastenrahmen 20 für die modulare Bauweise. Aus zeichnerischen Gründen sind dabei die Rohre 1 sowie die Abdeckungen zur Bildung der Wassertasche weggelassen. In dieser Ausführungsform werden die Rohre 1 in Lagen, vorzugsweise 3-lagigen Bündeln, im Rauchgasstrom angeordnet. Jeder einzelne Kasten 20 bildet damit eine eigenständige Einheit, geeignet zum Wärmetausch. Durch Übereinanderordnen mehrerer Kästen, wobei die Kästen mit bekannten Mitteln miteinander befestigt und abgedichtet werden, können unterschiedliche Strömungsverhältnisse und/oder getrennte Wärmekreisläufe gebildet werden. An den jeweiligen Stirnseiten des Kastens 20 sind die Durchführungen 6, bzw. Sacklöcher 14 zur Aufnahme der Rohre 1 angeordnet. Geeigneterweise können auf einer Stirnseite jeweils die gleichartigen Aufnahmearten, nämlich das Widerlager oder die einstellbare Befestigung angeordnet sein.
5a ist eine Stirnansicht eines Kastenrahmens 20 ohne Abdeckung 21, zeigend eine geeignete Anordnung von Rohrbündeln der Rohre 1. In der dargestellten Ausführungsform sind die Austauscherrohre 1 dreilagig über die nahezu gesamte Breite des Kastenrahmens 20 angeordnet. Die dargestellten drei Reihen sind übereinander versetzt angeordnet. Strömungstechnisch werden durch diese Maßnahme die Druckverluste im Gasweg wesentlich reduziert. Ebenfalls werden damit die untereinander angeordneten Rohre nahezu vollständig mit dem heißen Abgas beaufschlagt, sodass die Wirkung des Wärmetauschers weiterhin verbessert wird. Es versteht sich, dass die Anzahl der Lagen der Wärmetauscherrohre in einem Kastenrahmen 20 nicht auf drei beschränkt ist, wenn auch dies besonders bevorzugt ist. So sind zwei Lagen, vier Lagen, fünf Lagen oder mehr Lagen ebenfalls möglich.
Geeigneterweise, insbesondere bei der Verwendung größerer Rohrlängen, wie beispielsweise Rohrlängen von ca. 3 Metern, ist im Mittelbereich des Kastens 20 eine weitere Halterung 21 angebracht. Die Halterung 21 weist Durchführungen für die Rohre 1 auf. Mittels der Halterung 21 können die Rohre 1 in an sich bekannter Weise gegen Durchhängen oder stärkere mechanische Belastung stabilisiert werden. Durch eine besondere Ausformung der Halterung 21 kommt ein weiterer Kunstgriff der vorliegenden Erfindung zum Tragen. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Halterung 21 mit Ausnahme der Rohrdurchlässe geschlossen ausgeführt ist und eine Erstreckung über die vollständige Höhe des Kastenrahmens 20 hat. Hieraus ergibt sich, dass bei Aufeinanderfügen mehrerer Kästen 20 zwei im Wesentlichen voneinander getrennte Abgasstromräume N und M gebildet werden. Bei Einfügung mehrerer aufeinander abgestimmter Halterungen 21 ist es selbstverständlich möglich drei oder mehrere voneinander im Wesentlichen getrennte Gasströmräume zu bilden. Mittels der zuvor beschriebenen Maßnahme unter Wirkung der Halterungen 21 erfolgt eine verbesserte Gasstromführung der Abgase mit verringerten Toträumen.
6 zeigt eine Wärmetauscheranlage gebildet mit den Kastenrahmen gemäß 5. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Kastenrahmen 20 dargestellt, versehen mit den Wärmeaustauscherrohraufnahmesystemen gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf den Stirnseiten der Kastenrahmen 20 sind die Abdeckungen 21 zur Bildung der Wassertaschen angeordnet. Die Abdeckungen weisen Anschlussstücke für Rohrverbindungen auf. In der dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Kastenrahmen leitungstechnisch hintereinander geschaltet. Es versteht sich, dass durch Verwendung geeigneter Rohrleitungen die einzelnen Kastenrahmen als getrennte Wärmetauscherkreisläufe geführt werden können, bzw. in beliebiger Kombination. Weiterhin sind die einzelnen Kastenrahmen 20 mittels Verbindungseinrichtungen 22 zusammengefasst. Die Ausführung der Verbindungseinrichtungen 22 ist nachrangig, soweit eine gas- und kondensatdichte Abdichtung zwischen den Kastenrahmen 20 gewährleistet ist.
Auf der Oberseite der Wärmeaustauschereinrichtung ist eine Abdeckung angeordnet, aufweisend die Gaseintritte 23. Die dargestellte Ausführungsform macht von dem Vorteil Gebrauch, den Wärmetauscherraum in zwei getrennte Gasströme N und M zu teilen. Es versteht sich, dass in weiteren Ausführungsformen ein gemeinsamer Gasraum oder mehrere, d. h. drei oder mehr, Gasströmräume gebildet werden können.
Unterhalb der Kastenrahmen ist eine Wanne 24 angeordnet, aufweisend die Gasauslässe 25. Die Wanne 24 kann geeigneterweise Trennstreben entsprechend den Halterungen 21 aufweisen, um die getrennten Gasströmräume bereitzustellen. Im Weiteren dient die Wanne 24 zur Aufnahme und Abführung von Kondensat.
Hier greift ein weiterer Kunstgriff der vorliegenden Erfindung. So kann zwischen Wanne 24 und dem untersten Kastenrahmen 20 ein Lochblech angeordnet werden. Dabei strömen die nach dem Durchtritt durch den eigentlichen Wärmetauscher gekühlten Gase durch das Lochblech 26 in die Wanne 24 und anschließend durch die Gasauslässe 25 aus. Überraschenderweise zeigte sich, dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers durch die Anordnung des Lochbleches abermals verbessert werden kann. Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird von den Erfindern davon ausgegangen, dass das Lochblech zu einer Vereinheitlichung der Gasströme führt, und somit zu einer Verringerung von Toträumen, d. h. von Rauminhalten innerhalb des Wärmetauschers, in denen keine effektive Gasströmung vorhanden ist. Die Verringerung von Toträumen führt wiederum zur Bereitstellung einer größeren effektiven Wärmetauscherfläche und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers.
Im Betrieb wird das bis zu 300°C heiße Abgas von oben her durch den Kern des Wärmetauschers geführt. Die Temperatur der Abgase wird in den einzelnen Abschnitten sukzessive abgekühlt. Wärmeaustauschermedien werden den einzelnen Stufen des Wärmetauschers zugeführt und entziehen dem Abgas sowohl latente als auch trockene Wärme, bis die Abgastemperatur auf 20°C gesenkt worden ist. Der Entzug der latenten Wärme geht dabei mit dem Anfallen von Kondensat einher, welches bodenseitig in der Wanne 24 gesammelt und abgeführt wird. Das abgekühlte Abgas wird anschließend dem Kamin zugeführt
Weiterhin kann eine Nachwärmung der abgekühlten Abgase durch eine Ausgestaltung der Haube zum Gaseintritt gemäß der DE 44 36 412 C2 vorgesehen werden.
Der komplette Wärmetauscher verursacht einen Druckverlust im Abgasweg zum Kamin. Naturzugkamine dürfen nie mit Überdruck im Abgas betrieben werden. Der durch den Wärmetauscher bewirkte Druckverlust im Abgasweg kann mittels nachgeschalteter Ventilatoren ausgeglichen werden. Die Ventilatoren können dabei unter Wirkung eines Druckwächters stufenlos geregelt werden und somit einen ständigen, gleichmäßigen Abgasstrom erzeugen, welcher gleichzeitig den durch den Wärmetausch verursachten Druckverlust kompensiert. Hierin liegt ein weiterer Vorteil des dargestellten Wärmetauschersystems gegenüber dem Stande der Technik, beispielsweise dargestellt durch die DE 44 36 412 , welche nicht in Überdrucksystemen betrieben werden kann.
Zusammengefasst bestehen die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems darin, dass bei Betriebsstörungen in Form von Brüchen oder Leckagen einzelner Wärmetauscherrohre diese mit geringem Aufwand einzeln ausgetauscht werden können, ohne dass gesamte Wärmetauscherblöcke von der Instandsetzung betroffen sind. Weiterhin erlaubt der modulare Aufbau durch die Bildung von Kastenrahmen die Ausformung von Wärmeaustauschern mit unterschiedlichen und den jeweiligen Betriebswünschen angepassten Eigenschaften. So kann die Anzahl der Kästen variiert werden, aber auch die einzelnen Ströme des Wärmetauschermediums nach den Wünschen des Anwenders geführt werden. Dies umfasst ebenfalls auch die Bildung von gegebenenfalls mehreren Austauscherkreisläufen. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher einen verbesserten Wirkungsgrad auf, durch verbesserte Strömungseigenschaften der durchtretenden Gase und der Vermeidung von Toträumen.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscherrohr
2: O-Ring
3: Flansch
4: Metallboden
5: Korrosionsschutzabdeckung
6: Durchführung
7: Überwurfring
8: Flügelschraube
9: Innengewinde
10: Buchse
11: Befestigungsbolzen
12: Dichtungsring
13: Rohraufnahme
14: Sacklochbohrung
15: Gewindebohrung
16: Dichtungsring
17: Abdichtungseinrichtung
18: O-Ring
19: Abdeckungsbefestigung
20: Kastenrahmen/Kasten
21: Halterung
22: Verbindungseinrichtung
23: Gaseintritt
24: Wanne
25: Gasaustritt
26: Lochblech
27: Abdeckung
28: Graphitplatte/Graphitboden
29: Zement

Claims

Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Latentwärme von Abgasen mit keramischen Wärmetauscherrohren, wobei die Rohre (1) jeweils in Metallböden (4) aufgenommen sind, wobei die jeweilige Endenaufnahme und das Widerlager der Rohre (1) in den Metallböden (4) unterschiedlich ausgebildet sind, wobei die Endenaufnahme eine Rohraufnahme (13), eine Buchse (10) sowie einen O-Ring (2), angeordnet zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der Buchse (10) und dem Rohr (1), aufweist und das Widerlager eine Sacklochbohrung (14) mit einer Abstufung und einen O-Ring (18), angeordnet zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der Abstufung und dem Rohr (1) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallböden (4) als Kastenrahmen (20) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kastenrahmen (20) wenigstens eine Halterung (21) aufweist, wobei die Halterung (21) geschlossen ausgeführt ist und Rohrdurchlässe aufweist sowie eine Höhenerstreckung über die vollständige Höhe des Kastenrahmens (20) hat, bildend getrennte Abgasstromräume (M, N).
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher aus wenigstens zwei Kastenrahmen (20) modular aufgebaut ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter den Kastenrahmen (20) eine Wanne (24) angeordnet ist, wobei zwischen der Wanne (24) und dem Kastenrahmen (20) ein Lochblech (26) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallboden (4) innenseitig mit einer Korrosionsschutzabdeckung (5) versehen ist, wobei die Korrosionsschutzabdeckung (5) Durchlässe für die Rohre (1) aufweist und die Durchlässe einen Dichtungsring (16) aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzabdeckung (5) flexibel an dem Metallboden (4) befestigt ist.
Wärmetaucher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzabdeckung (5) durch Abdeckungsbefestigungen (19) gehalten werden, welche bolzenartig durch den Metallboden (4) hindurchragen und in Ausnehmungen eingreifen, die auf Außenseite der Korrosionsschutzabdeckung (5) angeordnet sind.
Wärmetaucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (1) in zueinander versetzen Reihen angeordnet sind.