-
Wärmeaustauscher mit einem Mantelrohr und einem darin befindlichen
Längsrippenrohr Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher und richtet sich
insbesondere auf mit hohen Temperaturen betriebene Wärmeaustauscher, in denen ein
zu erwärmendes Medium in einem Ringraum zwischen einem Außenmantel und einem Innenrohr
strömt, das in Längsrichtung verlaufende Außenrippen aufweist.
-
Wärmeaustauscher dieser Art verwendet man häufig als Heizvorrichtungen
zur Aufheizung von Luft oder anderen Gasen und verschiedenen Flüssigkeiten auf vergleichsweise
hohe Temperaturen. Das zu erwärmende Medium strömt in dem Ringraum zwischen dem
Außenmantel und dem Rippenrohr, während die Wärme durch einen Gas- oder Ölbrenner
erzeugt wird, der seine Verbrennungsgase unmittelbar in das Innere der Vorrichtung
abgibt. Gegebenenfalls. kann die Beheizung auch durch eine entsprechend hohe Temperaturen
liefernde elektrische Heizvorrichtung od. dgl. erfolgen. Bis jetzt war es üblich,
die Rippen auf dem inneren Rippenrohr kurz vor dem Einlaß- und Auslaß enden zu lassen,
um derart Ringzonen zu schaffen, in denen das eintretende bzw. austretende Medium
in Umfangsrichtung um das Rippenrohr strömen kann. Am Einlaßende wird das Medium
in die durch die Rippen gebildeten Längskanäle verteilt, und am Auslaßende der Heizvorrichtung
strömt das aus den Kanälen kommende Medium um das Rohr und erreicht den seitlich
angeordneten Auslaß.
-
Diese Anordnung der Längsrippen bringt Schwierigkeiten mit sich, da
das Fehlen der Rippen an den Enden des Innenrohres zu einem verminderten Wärmeübergang
der über den Umfang verlaufenden Strömung in diesen Zonen führt. Da das zu beheizende
Medium in diesen Zonen weniger Wärme dem Rippenrohr abnimmt, ergibt sich ein örtlicher
Temperaturanstieg im Rippenrohr. Es ist somit nicht nur der Wärmeübergang vermindert,
sondern es kann in bestimmten Einrichtungen die Temperatur des Rippenrohres so hoch
werden, daß die Lebensdauer des Rohres beträchtlich verkürzt wird oder das Rohr
aus einer teuren wärmebeständigen Legierung statt aus gewöhnlich niedriglegiertem
Stahl hergestellt werden muß. Das Problem ist von besonderer Bedeutung in Heizvorrichtungen,
bei denen ein Gas- oder Flüssigkeitsbrenner an ein Ende des Austauschers angeschlossen
ist, so daß das Rippenrohr selbst als Brennkammer für den Brenner dient. Bei Gegenstromwärmeaustauschern
dieser Anordnung liegt der Auslaß aus dem Ringraum in der Nähe der Zone, wo der
Brenner die meiste Wärme dem Rippenrohr zuführt. Hauptziel der vorliegenden Erfindung
ist deshalb die Schaffung eines Wärmeaustauschers der oben gekennzeichneten allgemeinen
Art, in dem die in Längsrichtung verlaufenden Wärmeleitrippen sich durch die Zone
der Randströmung am Einlaß und/ oder Auslaßende erstrecken, so daß der Wärmeübergang
in diesen Zonen über die bisher bekannten Werte gesteigert wird und die Leistung
des Wärmeaustauschers sowie die Lebensdauer des Rippenrohres gesteigert werden.
Die Erfindung sieht zu diesem Zweck vor, daß die Rippen des Rippenrohres sich in
den Bereich unter den Anschlüssen erstrecken und in diesem Bereich mit Löchern versehen
sind, durch die das im Ringraum vorhandene Medium über den Umfang in die Anschlüsse
.strömen kann. Weiter richtet sich die Erfindung auf die Herstellung eines Wärmeaustauschers
der eingangs gekennzeichneten Art mit tragbaren Herstellungskosten.
-
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in den Zeichnungen dargestellt
ist. Die Zeichnungen zeigen in Fig. l einen Teillängsschnitt eines beheizten Wärmeaustauschers
gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt im wesentlichen längs der
Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig.2a einen vergrößerten Teilschnitt durch
ein Rippenglied im Bereich der Randströmung, Fig. 3 in perspektivischer Darstellung
ein einzelnes Rippenglied vor seiner Anbringung auf dem Rippenrohr.
-
Wie man aus der Zeichnung erkennt, enthält eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ein Mantelrohr 10 mit einem Einlaß 11 und einem
Auslaß 12, die an den Enden des Mantelrohres seitlich auf dessen Wandung aufgesetzt
sind und mit dem Inneren des Rohres in Verbindung stehen. Das Mantelrohr ist ferner
mit einer Dehnungsfalte 13 versehen und ruht auf Trägern 14, 15 und 16, wobei die
Träger 15 und 16 mit Rollen versehen sind, die eine Ausdehnung des Mantelrohres
ermöglichen.
-
Innerhalb des Mantelrohres 10 befindet sich ein Rohr 20, das
auf seiner Außenseite eine Reihe von U-Profilrippen 21 trägt, die auf dem Rohr beispielsweise
aufgeschweißt sind. Die Rippen erstrecken sich in Längsrichtung im wesentlichen
über die gesamte Länge des Rohres 20 und reichen in radialer Richtung in unmittelbare
Nachbarschaft der Innenfläche des Mantelrohres 10. Jedes Ende des Rippenrohres ist
mit dem Mantelrohr durch Verbindungen 22 und 23 verbunden, so daß zwischen dem Rippenrohr
20 und dem Außenmantel ein Ringraum entsteht. Bei 22 ist die Verbindung durch eine
übliche Packung hergestellt, während bei 23 eine Flanschverbindung angedeutet ist.
Die Verbindungen können in beliebiger Weise hergestellt sein. Falls eine Reinigung
des Rippenrohres nicht erforderlich ist, kann die Verbindung auch an beide Rohre
geschweißt sein.
-
An einem Ende des Rippenrohres befindet sich ein Brenner 25 für gasförmigen
oder flüssigen Brennstoff. Beispielsweise greift der Brenner 25 durch eine Isolierplatte
26, die an einem Flansch 27 in der Nähe des Auslasses 12 am Rippenrohr befestigt
ist. Die Verbrennung erfolgt innerhalb des Rippenrohres, wobei die Verbrennungsgase
in der Nähe des Auslasses 12 eine sehr hohe Temperatur aufweisen und auch eine hohe
Strahlungswärme auf die Innenoberfläche des Rippenrohres in diesem Bereich abgegeben
wird. Da die Gase sich in Längsrichtung des Rippenrohres bewegen, ist der Wärmeübergang
durch Strahlung von untergeordneter Bedeutung. Er erfolgt vielmehr durch Konvektion,
wobei die Temperatur der Gase allmählich absinkt. An den in der Nähe des Einlasses
11 liegenden Enden des Rippenrohres sind geeignete Anschlüsse für einen Rauchgasabzug
29 vorgesehen. Auf diese Weise erhält man einen Gegenstromwärmeaustauscher, der
besonders dann zweckmäßig ist, wenn die Austrittstemperaturen des zu erwärmenden
Mediums sehr hoch sein sollen. Selbstverständlich kann die Heizvorrichtung auch
als Gleichstromgerät betrieben werden.
-
Die bis jetzt beschriebenen Elemente des Wärmeaustauschers sind von
üblicher Ausführungsform. Bei den bekannten Wärmeaustauschern enden die Längsrippen
21 jedoch kurz vor dem Auslaß 12, um eine Verteilerzone zu schaffen,
so daß die erwärmte Luft od. dgl. über den Umfang des Rippenrohres aus den durch
die Rippen gebildeten Kanälen austreten und den seitlich liegenden Auslaß erreichen
kann. Bei dieser Anordnung treten jedoch, insbesondere bei einem unmittelbar beheizten
Wärmeaustauscher, wie beim gewählten Ausführungsbeispiel, ernsthafte Überhitzungen
des Rippenrohres in der Nähe des Auslaßbereiches des Mantels 10 auf, weil der verminderte
Wärmeübergang auf der Außenseite des Rippenrohres und der hohe Wärmeeingang auf
der Innenseite des Rippenrohres nicht miteinander in Einklang stehen. Das Rohr wird
deshalb in dem rippenlosen Bereich heißer als in dem mit Rippen versehenen Bereich,
so daß starke thermische Spannungen in das Rohr eingeleitet werden und es zusätzlich
zu Korrosion und anderen Schädigungen infolge der hohen Temperaturen kommt. Es ist
bereits der Vorschlag gemacht worden, diese Nachteile dadurch zu beseitigen, daß
man im rippenlosen Bereich auf das Rippenrohr Stifte aufschweißt. Diese Stifte haben
sich jedoch nicht als zufriedenstellend erwiesen und erfordern darüber hinaus beträchtlich
höhere Kosten bei der Herstellung des Wärmeaustauschers.
-
Nach der vorliegenden Erfindung hören die Rippen 21 an der Innenkante
der Öffnung 30 für den Auslaß 12 nicht auf, sondern erstrecken sich wenigstens über
die gesamte Öffnung und vorzugsweise etwas darüber hinaus, wie man aus den Zeichnungen
erkennt. In dieser Zone sind jedoch die Rippenglieder 21 mit Löchern 31 versehen,
die, wie man insbesondere aus Fig. 2 und 3 erkennt, eine über den Umfang des Rippenrohres
verlaufende Bahn für das zu beheizende Medium in der Verteilerzone schaffen, die
in den Auslaß 12 ausmündet. Vorzugsweise nehmen die Öffnungen etwa die Hälfte
der Gesamtfläche der Rippen ein, jedoch kann dieses Verhältnis beträchtlich schwanken.
Die in der Zeichnung wiedergegebenen Öffnungen sind rund, jedoch kann man selbstverständlich
auch- -ovale, rechteckige oder andere Formen für die Öffnungen vorsehen. Die Öffnungen
liefern einen angemessenen Durchlaß für das um das Rippenrohr strömende Medium und
dabei eine ausreichend große Oberfläche, so daß zwischen den Rippen und dem um die
Rippen und durch die Rippen strömenden Medium ein ausreichender Wärmeaustausch stattfinden
kann. Wegen der Zunahme der Turbulenz in der Verteilerzone ist die Wärmeaustauschgeschwindigkeit
in diesem Bereich des Rippenrohres ungefähr genau so groß wie in den Bereichen,
in denen sich keine Löcher befinden. Auf diese Weise wird die Leistung und Wärmetauschfähigkeit
des Wärmeaustauschers wesentlich gesteigert, und gleichzeitig verhindert der intensive
Wärmeübergang auf das zu erwärmende Medium durch die gelochten Teile der Rippen
eine Überhitzung der Rippenrohre in dieser Zone. Die Temperatur des Rippenrohres
ist in diesem Bereich im Vergleich. zur Temperatur des Rohres in einer ähnlichen
Heizvorrichtung, wo die Rippen kurz vor dem Auslaß aufhören, wesentlich vermindert,
so daß sich auch eine entsprechende Herabsetzung der Korrosion und der thermischen
Beanspruchungen im Rippenrohr ergeben.
-
Vorzugsweise haben die Rippen die Form von U-Profilen, wie man aus
Fig. 3 erkennt, und setzen sich aus einem Paar von Rippenteilen 33 und einem Bodenteil
34 zusammen. Bei 31 sind die Rippen mit Löchern versehen, während der Bodenteil
34 ungelocht bleibt. Die Löcher sind vorzugsweise aus dem Metall herausgestanzt,
aus dem die Rippen hergestellt werden, und zwar solange das Rippenmetall noch in
Form eines flachen Bandes vorliegt. Dann werden die Rippen in die Profilform gebogen
und in bekannter Weise auf die Außenwand des Rippenrohres aufgeschweißt. Die Löcher
in den Rippen
beeinträchtigen den Schweißvorgang nicht, daher lassen
sich die erfindungsgemäßen Verbesserungen bei Wärmeaustauschern mit geringen zusätzlichen
Kosten und ohne zusätzliche Ausrüstung für den Schweißvorgang erzielen.
-
Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
enden die Rippen 31 kurz vor dem Einlaß. Selbstverständlich kann man für bestimmte
Verwendungszwecke auch in der Nähe des Einlasses gelochte Rippen vorsehen. Je nach
den Gegebenheiten, beispielsweise hinsichtlich der Art der Beheizung und der Natur
des zu erwärmenden Mediums, kann es auch erforderlich werden, gelochte Rippen nur
in der Nähe des Einlasses anzuordnen, in der Nähe des Auslasses die Rippen aber
vorher enden zu lassen.