DE1900673C3 - Rekuperativer Wärmeaustauscher für heiße Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen rekuperativen Wärmeaustauscher, bei dem ein heißes Wärme abgebendes Gas durch mindestens ein außen von kälterem Fluid umspültes Rohr strömt, in dem konzentrisch ein Einsatzkörper leicht herausziehbar gelagert ist, der mit dem Rohr einen Ringspaltkanal bildet, rohrförmig ausgebildet, an der eintrittseitigen Stirnfläche offen und an der austrittseitigen Stirnfläche geschlossen ist, der aus gut wärmeleitendem Material besteht und auf der Eintrittseite mit einer Anordnung zur erhöhten Wärmeaufnahme aus dem heißen Gas versehen ist.

Es ist bekannt, daß die Wärmeabgabe oder -aufnahme strömender Medien auf eine oder von einer Wand durch Turbulenz bedeutend größer wird. Zu diesem Zweck hat man innerhalb des das Fluidum führenden Kanals Einsatz- oder Verdrängungskörper konzentrisch angeordnet, so daß ein Strömungskanal mit ringförmigen Querschnitt gebildet ist.

So ist ein Rekuperator bekannt (US-PS 29 10 276), bei dem im Bereich niederer Rauchgastemperaturen innerhalb eines von einem aufzuheizenden Gas beaufschlagten, verrippten Wärmeaustauscherrohres ein Rauchgasleitrohr mit gegenüber jenem geringeren Durchmesser angeordnet ist, so daß ein Ringspaltkanal gebildet ist. Am äußeren Ende des Leitrohres ist ein Ventil angebracht Um bei Teillast den bereits abgekühlten Rauchgasen in diesem Rekuperatorteil mehr Wärme entziehen zu können, wird das Ventil geschlossen, so daß die kälteren Rauchgase nur durch den Ringspaltkanal geführt werden und infolge der größeren Wärmeübergangsfläche mehr Wärme an das aufzuheizende Gas abgeben können. Im Bereich hoher Rauchgastemperaturen arbeitet dieser Rekuperator überwiegend als Strahlungsheizkörper, d. h. es sind überhaupt keine Mittel zur Erhöhung des Wärmeüberganges vorgesehen. Im Bereich mittlerer Temperaturen sind in das Innenrohr hineinragende Hohlrippen angeordnet, die vom aufzubringenden Gas durchströmt werden.

Mit dem bekannten Rekuperator ist es infolgedessen s nicht möglich, auf dessen Eintrittsseite den heißen Gasen mehr Wärme zu entziehen und längs des Rekuperatorrohres in den Bereich niedrigerer Temperaturen zu leiten, um dadurch das Temperaturgefälle zwischen dem Wärme aufnehmenden Medium zu vergleichmäßigen bzw. den Temperaturgradienten längs des gesamten Rekuperators zu verringern.

Hierin besteht aber die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, nämlich einen Rekuperator mit sehr hoher spezifischer Heizflächenbelastung unter Vermeidung großer Temperaturgradienten zu schaffen, wobei der Wärmeübergang durch Vermeidung von Ablagerungen auf der vom Wärme abgebenden Gas beaufschlagten Fläche für längere Zeit konstant bleiben solL Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anordnung zur erhöhten Wärmeaufnahme am Eintrittsende der heißen Gase vorgesehen ist und aus axialen, den Einsatzkörper durchdringenden Innen- und Außenrippen oder aus einem mit flüssigem Metall gefüllten Mantel besteht

Die heiße Gasströmung wird also ohne Richtungsänderung durch den Ringspaltkanal geführt, so daß Ablagerungen durch Fliehkrafteinwirkung vermieden werden. Die Turbulenz der Strömung sorgt für einen intensiven Wärmeaustausch, wobei auch der Einsatzkörper rrüt Hilfe der Rippen bzw. Flüssigmetallmantels intensiv aufgeheizt wird und infolge seiner guten Wärmeleitfähigkeit über seine gesamte Länge eine wesentlich ausgeglichene Temperatur annimmt Er wirkt nun nicht nur als Verdränger zur Bildung eines Ringkanals, sondern zugleich als Strahlkörper. Mit der Erfindung werden also die drei Arten der Wärmeübertragung, nämlich Konvektion, Strahlung und Leitung, in sinnvoller Weise zur Erzielung großer spezifischer Heizflächen bei verminderter Wärmebeanspruchung vereinigt.

Darüber hinaus hat der stark aufgeheizte Einsatzkörper noch die Wirkung eines Filters für vornehmlich in Rauchgasen enthaltene niederschlagbare Stoffe, wie z. B. Schwefel und Phosphor. Bei der hohen Temperatur des Einsatzes werden diese Stoffe auf seiner Außenwand sublimiert. Wenn solche Anwachsungen eine gewisse Stärke erreicht haben, werden die Einsätze herausgezogen und die Ablagerungen durch schnelles Aufheizen mit einer Flamme bzw. Abschrecken in kaltem Wasser oder durch mechanisches Klopfen zum Abplatzen gebracht. Vermöge dieser Filterwirkung der Einsätze bleiben die Wärmeübergangsflächen über lange Betriebszeiten sauber, damit bleibt auch der Wärmeübergang konstant, und es ist auch bei öl- oder gasbefeuerten Kesseln die Gefahr der Kaminversottung weitgehend gebannt.

Im folgenden wird die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen erläutert Die Zeichnungen zeigen in

hi) F i g. 1 den Verlauf der Wandtemperatur über der Länge eines Wärmeaustauschrohres,

Fig.2 einen rohrförmigen Einsatzkörper mit einer Stauscheibe am Austrinkende,

F i g. 3 eine Regelungsvorrichtung zum schnelleren

"' Aufheizen des Einsatzkörpers und

Fig. 4 einen lediglich am Eintrittsende verrippten Einsatzkörper.
In F i g. 1 ist über der Länge /eines Wärmeaustausch-

rohres dessen Wandtemperatur T aufgetragen. Die Kurve a zeigt den steil abfallenden Verlauf der Temperatur bei Verwendung von Drall-Leitflächen. Mit der Erfindung hingegen wird gemäß Temperaturlinie b die hohe Temperaturspitze am Eingang merklich abgebaut und die Wandtemperatur weitgehend gleichmäßiger.

F i g. 2 zeigt einen Röhrenwärmeaustauscher mit den Böden 1 und 2, in dem das Rohr 3 durch Einwalzen oder Schweißen befestigt ist In diesem ist der rohrfönrige Einsatzkörper 4 mittels Stegen 5, 6 gelagert Die Strömungsrichtung der Rauchgase ist mit dem Pfeil 7 angedeutet Der Einsatzkörper 4 ist am Eintrittsende mit einem hohlen Mantel 8 versehen, der mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Natrium, ausgefüllt ist Aber auch das Rohr des Einsatzkörpers 4 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. legiertem StahL Das Eintrittsende kann aus einem bei hohen Temperaturen korrosionsfesten Material bestehen.

Außerdem kann die Oberfläche des Einsatzkörpers noch mit korrosionshemmenden und die Abstrahlung (Reflexion) fördernden Oberzügen versehen sein, wie diese z. B. durch Inchromieren, Flammenspritzen und dgl. entstehen.

Am Austrittsende ist die Stauscheibe 9 angebracht, so daß durch Veränderung des Spaltes s die den Ringspalt durcheilende Strömung stärker oder schwächer gedrosseit werden kann. Durch das gute Wärmeleitvermögen wird im Einsatzkörper ständig Wärme vom Einlaßende 11 zum Auslaßende 12 hin transportiert und durch Strahlung auf das Rohr 3 übertragen. Auf diese Weise wird eine bedeutende Steigerung der Heizflächenbelastung möglich.

In analoger Weise arbeitet der Einsatzkörper nach F i g. 4. Um den Gasen am Eintrittsende 11 mehr Wärme zu entziehen, sind in diesem Bereich den Einsatzkörper

ίο 24 durchdringende axiale Innen- und Außenrippen 16 angebracht deren axiale Länge sich nach dem gewünschten Temperaturverlauf richtet

Um den Einsatzkörper 14 nach F i g. 3 beim Anfahren, z. B. eines Kessels, schneller aufheizen zu können, sind nahe der Stauscheibe 19 Schlitze 13 vorgesehen, so daß die von der Feuerung kommenden heißen Gase auch durch das Innere des Einsatzkörpers strömen und diesen schneller aufheizen können. Die aus den Schlitzen 13 austretenden Gase, die gegenüber dem aus dem Ringspaltkanal 10 kommenden Gasen eine höhere Temperatur haben, vermischen sich mit diesen und verhindern so den Niederschlag von Schwitzwasser. Sobald die normale Betriebstemperatur erreicht ist, verschließt der Ringschieber 14a, der von dem Stab 15 aus einem Material mit größerer Wärmedehnung gegenüber dem Rohr des Einsatzkörpers 14 gesteuert wird, automatisch die Schlitze 13.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Rekuperativer Wärmeaustauscher, bei dem ein heißes Wärme abgebendes Gas durch mindestens ein außen von kälterem Fluid umspültes Rohr strömt, in dem konzentrisch ein Einsatzkörper leicht herausziehbar gelagert ist, der mit dem Rohr einen Ringspaltkanal bildet, rohrförmig ausgebildet, an der eintrittseitigen Stirnfläche offen und an der austrittseitigen Stirnfläche geschlossen ist, der aus gut wärmeleitendem Material besteht und auf der Eintrittseite mit einer Anordnung zur erhöhten Wärmeaufnahme aus dem heißen Gas versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur erhöhten Wärmeaufnahme am Eintrittsende der heißen Gase vorgesehen ist und aus axialen, den Einsatzkörper (4; 14; 24) durchdringenden Inneii- und Außenrippen (16) oder aus einem mit flüssigem Metall gefüllten Mantel (8) besteht

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper (14) nahe der austrittseitigen Stirnfläche Schlitze (13) aufweist, die mittels Ringschieber (14a,J temperaturabhängig in der Weise steuerbar sind, daß sie zum Beginn eines Wärmeaustausches, z.B. beim Anfahren eines Kessels, geöffnet und beim Erreichen der Betriebstemperatur geschlossen sind.