DE1551537A1

DE1551537A1 - Method and device for regenerative heat exchange

Info

Publication number: DE1551537A1
Application number: DE19671551537
Authority: DE
Inventors: Alois Steimer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-06-12
Filing date: 1967-06-12
Publication date: 1970-04-23
Also published as: AT282127B

Description

Verfahren und Vorrichtung für rekuperativen Wärmeaustausch Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den rekuperativen Wärmeaustausch zwischen einem mit kondensierbarem Danpf beladenen, heißen gasförmigen Medium und einem.kälteren Medium mit Hilfe mindestens eines vom heißen Gas durchströmten Rohres oder dergl. Außerdem befaßt sich die Erfindung mit einem Wärmetauscher zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Wärmetauscher dieser Art werden so ausgelegt, daß das heiße ideditun beim Erreichen des regulären Temperaturgefälles zwischen ihm und dem kalten Medium mit einer über dem Taupunkt liegenden Temperatur heraustritt. Dieses Temperaturgefälle wird jedoch erst nach einer gewissen Anheizzeit erreicht, so daß während dieser Betriebsphase das sogenannte "Schwitzen" des Wärmetauschers oder Kessels unvermeidlich ist. Diese Erscheinung ist besonders dann schädlich, wenn die heißen Gase schwefelige Bestandteile enthalten, wie dies häufig bei der Verfeuerung von Kohle, Heizöl und Gas der fall ist. Es -Wildet sich dann schwefelige säure, die den Eisenwerkstoff stark angreift. Aus diesem Grunde ist man z. B. bei Warmwasserkesseln gezwungen, die-Rücklauftemperatur des aus dem Heizsystem kommenden Wassers konstant zu halten, damit die Rauchgase bei großer Wärmeentnahme nicht zu stark gekühlt werden. Dies geschieht in der Weise, daß man dem kälteren Rücklaufwasser ständlg eine von einem Thermostat gesteuerte bxenge heißeren Vorlaufwassern beiiiiischt. Es ist hierfür also eine besondere Regeleinrichtung erforderlich.Method and device for recuperative heat exchange The invention relates to a method for recuperative heat exchange between a hot gaseous medium loaded with condensable Danpf and a colder medium with the aid of at least one tube or the like through which the hot gas flows. The invention also relates to a heat exchanger to carry out such a procedure. Heat exchangers of this type are designed in such a way that the hot ideditun emerges when the regular temperature gradient is reached between it and the cold medium at a temperature above the dew point. However, this temperature gradient is only reached after a certain heating-up time, so that so-called "sweating" of the heat exchanger or boiler is unavoidable during this operating phase. This phenomenon is particularly harmful when the hot gases contain sulphurous components, as is often the case when burning coal, heating oil and gas. It then forms sulphurous acid, which strongly attacks the iron material. For this reason one is z. B. in hot water boilers forced to keep the return temperature of the water coming from the heating system constant, so that the flue gases are not cooled too much when large amounts of heat are drawn off. This is done in such a way that the colder return water is constantly mixed with a narrower, hotter feed water controlled by a thermostat. A special control device is therefore required for this.

Besonders stark tritt das Schwitzen auch bei solchen läriaetauschern auf, in deren Rauchrohren rohrförniiFe Verdrängerkörper zur Bildung von Ringspaltkanälen eingeschoben sind. Infolge der starken Turbulenz in den Ringspaltkanälen wird der 7ärmeübergang an die äußere Kanalrand bedeutend verbessert, so daß bei der Inbetriebnahme eines solchen Wärmetauschers häufig schon nach Durchströmen der halben Kanallänge der Taupunkt des den Rauchgasen beigemischten Dampfes unterschritten wird. Dieser iangel dürfte wohl der Hauptgrund dafür sein, daß dieses seit Jahrzehnten bekannte :.littel zur Steigerung des Wärmeüberganges in der Praxis keine Bedeutung gewonnen hat.Sweating also occurs particularly strongly in those heat exchangers in whose smoke tubes tubular displacement bodies are inserted to form annular gap channels. As a result of the strong turbulence in the annular gap ducts, the heat transfer to the outer duct edge is significantly improved, so that when such a heat exchanger is put into operation, the dew point of the steam mixed with the flue gases is often below the dew point after flowing through half the duct length. This deficiency is probably the main reason why this means for increasing heat transfer, which has been known for decades, has not gained any importance in practice.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kondenswasserbildung aus den Rauchgasen ohne zusätzliche Regeleinrichtungen zu unterbinden, da diese nicht nur den Aufwand erhöhen, sondern die Wärmeaustauschvorrichtung auch störanfälliger machen.The object of the present invention is to prevent the formation of condensation from the flue gases without additional control devices, since these not only increase the effort, but also make the heat exchange device more susceptible to failure.

Die Erfindung besteht darin, daß dem in den heiße Gase füh-renden Rohren sich aLkühlenden Iiedium vor seinem Austriit Heißgas in einer solchen Meng® beigemischt wird, daß der Taupunkt nicht unterschritten wird, Besonders einfach ist dieses Verfahren realisierbar bei einem Wärmetauscher mit in die Rohre eingeschobenen Verdrängerkörpern zur ljildung von Ringspaltkanälen, indem die Yerdrängerkörper auf der Eintrittsseite offen und wenigstens nahe dem Austrittsende mit radialen Durchbrüchen in Form von Schlitzen, wohrungen oder dgl, versehen werden. Wie weiter unten erläutert wird , stellt sich bei dieser Anordnung ein 8elbstregelungseffekt ein, der es verhindert, daß beim Erreichen des regulären Temperaturgefälles zwischen wärmeabgebendem und -aufnehmendem Medium die Austrittstemperatur gröfer wird. Die der weiteren Erläuterung dienenden Zeichnungen zeigen in Fig. 1 den Temperaturverlauf über die Länge des in Fig.- 2 gezeigten Ringspaltkanales und fig. 3 einen Warrnvjasserkessel mit Ringspaltrohren nach der Erfindung. Der in Fig. 2 gezeigte Ringspaltkanal 1 wird von dem in den Böden 2, 3 dicht befestigten Außenrohr 4 und- dem inneren Verdrängerkörper 5 gebildet,-der in das Rohr 4 eingeschoben und-mittels Leisten 6 konzentrisch gelagert ist. Der rohr- förmige Verdrängerkörper ist am Eintrittsende 7 des Kanals 1 offen und am Austrittsende n geschlossen. Nahe dem Austritts- ende ist er mit radialen Bohrungen 9 versehen, deren Durch- messer vorteilhaft in Richtung, des Primärstromes im Ring- spaltkanal abnehmen. Hei 7 tritt das heiße Gas mit der Temperatur T1 in den Ring- spaltkanal 1 ein. Regulär soll der Wärmeübergang an die vom kühleren Medium umspülte Wand des Rohres f+ derart, erfolgen, daß die Gastemperatur längs der Kurve 10 auf 912 abgesenkt wird, die etwas über der durch die Horizontale TK gekenn- zeichneten Taupunkt-Temperatur liegt. Hei, einem Verdrängerkörper ohne Dohrungen 9 und Öffnungen auf der Eintrittsseite wird nun aber bei, der Inbetriebnahme das heiße Gas infolge der starken Turüulenz so stark gekühlt, daß es schon im Astand Z vor dem Austritt den Taupunkt 11 erreicht und im weiteren Verlauf unterschreitet. Das Rohr beginnt zu "schwitzen". Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun in diesem Bereich ein Sekundärstrom heißen G@ä;;e , durch den Verdränger- kärper in den friicitii@a@troin eingeführt und mit diesem vermischt, so daß die Gastenheratur iin ltiiigspal.t wieder über den Tau- punkt angehoben %@fird. Diese Sekundärströmung h:oininf: dadurch zustande, daß mit der Abkühlung der Gase im Ringspaltkanal 1. zugleich eine Volumen- und Druckverminderung entsprechend der Zustandsgleichung eintritt und dadurch im Leseich der niederen Temperaturen ein Druckgefälle zwischen dem Innenraum des Verdrängerkörpers und dem Ringspalt entsteht. Wird nun der Strömungswiderstand des Verdrängerrohres 5 und der Bohrungen 9 so bemessen, daß er gleich oder größer ist als die Druckat)senkung der rriinärströmung im Leseich der Löcher 9 ueim regulären Betrieb, dann wird durch diese einfache Maßnahme die Sekundärströmung unterbunden, so daß auch dann, wenn das reguläre Temperaturgefälle erreicht ist, die Austrittsteinperat.ur T., nicht größer wird, vras eine Verschlechterung de:; Wirhungsgrades des Wärmetauschers bedeuten würde. Fig. 3 zeigt die Ycrwendung eines erfindungsgenäßen @üi#metauscliers iii einem Warmwasserkessel 20 mit zentralem I'lammrohr 2 1 lind konzentrisch zu diesem angeordneten Ringspaltrohren @_2, deren innere Verdrängerkörper 25 entsprechend Fig. 2 ausgei,ildet und angeordnet sind.The invention consists in that the leadership in the hot gases in power pipes to aLkühlenden Iiedium is mixed before its Austriit hot gas in such a Meng® that the dew point will not be reached, particularly simple, this method is implemented in a heat exchanger, with the tubes inserted displacement bodies for the formation of annular gap channels by providing the displacement bodies open on the inlet side and at least near the outlet end with radial openings in the form of slots, holes or the like. As will be explained further below, arises in this arrangement, a 8elbstregelungseffekt that it prevents upon reaching the regular temperature gradient between wärmeabgebendem and -aufnehmendem medium, the outlet temperature becomes larger. The drawings used for further explanation show in FIG Fig. 1 shows the temperature profile over the length of the in Fig.- 2 shown annular gap channel and fig. 3 a Warrnvjasserkessel with annular tubes after the Invention. The annular gap channel 1 shown in Fig. 2 is of the in the Bottoms 2, 3 tightly attached outer tube 4 and the inner one Displacement body 5 is formed, -the inserted into the tube 4 and is mounted concentrically by means of strips 6. The pipe shaped displacement body is at the inlet end 7 of the channel 1 open and closed at the exit end n. Near the exit at the end it is provided with radial bores 9, the diameter of which knife advantageously in the direction of the primary current in the ring remove the canal. Hei 7 the hot gas with the temperature T1 enters the ring gap channel 1 a. The heat transfer to the from cooler medium around the wall of the pipe f + in such a way that that the gas temperature is lowered to 912 along curve 10 which is identified by the horizontal TK slightly above drawn dew point temperature. Hei, a displacement body without holes 9 and openings on the entry side, however, is now at, the commissioning the hot gas cooled so much as a result of the strong turulence, that already in Astand Z before the exit the dew point 11 reached and falls below it in the further course. The pipe begins to "sweat". According to the method according to the invention is now in this A secondary flow area is called G @ ä ;; e, through the displacer body introduced into the friicitii @ a @ troin and mixed with it, so that the guest therapy in ltiiigspal.t again over the dew point raised% @ fird. This secondary flow h: oininf: through it comes about that with the cooling of the gases in the annular gap channel 1. at the same time a volume and pressure reduction occurs according to the equation of state and thereby a pressure gradient arises between the interior of the displacement body and the annular gap in the lower temperature reading area. If the flow resistance of the displacement pipe 5 and the bores 9 is dimensioned so that it is equal to or greater than the pressure at) lowering the primary flow in the reading area of the holes 9 during regular operation, then the secondary flow is prevented by this simple measure, so that even then When the regular temperature gradient is reached, the outlet stone temperature does not increase, there is a deterioration in de :; Degree of efficiency of the heat exchanger would mean. 3 shows the application of a hot water boiler 20 according to the invention with a central lamb tube 2 1 and annular gap tubes 2 arranged concentrically to this, the inner displacement bodies 25 of which are designed and arranged according to FIG.

Die im Flammrohr 21 erzeugten Rauchgase werden in der ;'endekammer 23, deren Moden mit Rippen 24 versehen ist, auf die Ringspaltkaii"le gleichmäßig verteilt und durch den Fuchs 26 ins Freie entlassen. Durch den Vorlaufstutzen 27 gelangt das heiße Wasser in das Heizungssystem und durch den Rücklaufstutzen 28 nach aärmeaugabe wieder in den Kessel, wobei die Rücklauftemperatur - entlegen den bisher üblichen Temperaturenweit unter 70o C liegen kann.The flue gases generated in the flame tube 21 are evenly distributed in the end chamber 23, the mode of which is provided with ribs 24, on the annular gap kaii "le and released through the fox 26. The hot water reaches the heating system and through the flow connection 27 may be remote to the usual temperatures well below 70o C - by the return connection 28 to aärmeaugabe back into the boiler, the return temperature.

Der gezeigte Kessel besitzt nun zwar - entsprechend den Uberwtichungsvor:3chriften für ölgefeuerte Kessel - ein Entspannungsrohr 29 niit einer Detonationsklappe 30. Versuche haben aber gezeigt, daß diese Klappe bei Anordnung der Wärmetauscher gemäß der Erfindung entbehrlich ist, da die beim Zünden des eingespritzten Brennstoffes entstehende Druckwelle mit den Verdrüngerkörpern 25 weich abgefangen wird. Auch der Übergang auf eine höhere Laststufe, z. B. beim Zuschalten einer weiteren Brennstoffdüse, erfolgt nicht mit dem sonst üblichen hohen Druckanstieg. Mit dem gröreren Gasdurchsatz steigt-der Druck im Flammrohr zwar sofort etwas an. Die anfangs einsetzende Sekundärströmung durch die Löcher 9 üewirkt aber, daß der Druck nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen äüfheizzeit seine volle Flöhe erreicht. Die Spaltweite des Ringspaltkanales 1 ist dabei vorteilhaft 1/20 bis 1/8 der lichten Weite des Rauchrohres 4 bzw. 22. Im Bereich der yohrungen 9 wird der Wärmeübergang auch dadurch intensiviert, daß die Sekundärströmung nahe im rechten Winkel auf die 'Tand der Rohre 22 auftrifft.The boiler shown now has - in accordance with the Uberwtichungsvor: 3chriften for oil-fired boilers - an expansion pipe 29 with a detonation flap 30. However, experiments have shown that this flap is dispensable with the arrangement of the heat exchanger according to the invention, since that which occurs when the injected fuel is ignited Pressure wave is softly intercepted with the displacement bodies 25. The transition to a higher load level, e.g. B. when switching on another fuel nozzle, does not occur with the otherwise usual high pressure increase. With the greater gas throughput, the pressure in the flame tube immediately increases slightly. The secondary flow through the holes 9 which starts at the beginning, however, has the effect that the pressure does not reach its full potential immediately, but only after a certain heating time. The gap width of the annular gap channel 1 is advantageously 1/20 to 1/8 of the clear width of the smoke pipe 4 or 22. In the area of the yohrungen 9, the heat transfer is also intensified that the secondary flow is close to the 'Tand of the pipes 22 hits.

Zur Steuerung der Sekundärströmung können die uohrungen 9 auch etwas schräg zur Radialen liegen, so daß bei größerer Geschwindigkeit der Primärströmung ein leichter Stau hervorgerufen wird.The uohrungen 9 can also be used to control the secondary flow lie obliquely to the radial, so that at greater speed of the primary flow a slight traffic jam is caused.

Claims

Claims 1. A method for the recuperative heat exchange between a hot, gaseous medium laden with condensable vapor and a colder medium with the aid of at least one tube or the like through which the hot gas flows, characterized in that the cooling medium before the outlet. from the tube (4) hot gas is mixed in such a Eienge that the dew point is not reached.

2. Heat exchanger for carrying out the method according to claim 1, with tubular displacement bodies inserted into the tubes for the formation of annular gap channels for the passage of the heat-emitting medium, characterized in that the displacement bodies (5) on the inlet side (7) of the heat exchanger are open and at least near the outlet ends (8) are provided with radial or oblique radial openings (seat braid, bores 9).

3. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the gap width of the annular gap channel (1) is 1/20 to 1/8 of the clear width of the tube (4).

4. Application of the heat exchanger according to claim 2 in a flame tube-Rauchrohrkesael.