-
Anordnung
zum Wärmetausch
-
Im
Umfang der US-PS 4,537,247 zählt
eine Anordnung zum Wärmetausch
zwischen zwei kanalisiert geführten
gasförmigen
Fluiden zum Stand der Technik, bei welcher der Wärmetausch durch Wärmerohre
bewirkt wird, die von der die die Fluide führenden Kanäle trennenden Zwischenwand
in die Kanäle
hinein ragen.
-
Jedes
Wärmerohr
besitzt einen von der Zwischenwand in den das höher temperierte Fluid führenden
Kanal hinein ragenden Längenabschnitt,
der von einem weiteren Rohr mit Abstand umhüllt ist. Dieses Hüllrohr besitzt
eine außenseitige
Emaillebeschichtung. Zwischen dem Wärmerohr und dem Hüllrohr ist
ein Wärme
leitender Werkstoff, wie z.B. Fett, eingebracht. Die in den das
aufzuwärmende
Fluid führenden
Kanal hinein ragenden Längenabschnitte der
Wärmerohre
sind berippt.
-
Ein
Nachteil der bekannten Bauart besteht darin, dass durch die zusätzlichen
Hüllrohre
in dem das höher
temperierte Fluid führenden
Kanal der Fertigungsaufwand erheblich vergrößert wird. Auch wird durch
die Befüllung
der Räume
zwischen den Hüllrohren
und den Wärmerohren
mit dem Wärme
leitenden Material die Wärmeleitfähigkeit
deutlich verschlechtert mit der Folge, dass zur Sicherstellung einer
bestimmten Wärmeübertragungsleistung
mehr Wärmerohre
eingebaut werden müssen,
wodurch sich der Bereitstellungsaufwand noch weiter erhöht.
-
Ungeachtet
der Emaillebeschichtung der Hüllrohre
kann dennoch nicht mit absoluter Sicherheit verhindert werden, dass
diese nicht korrodieren. Es ist dann in einer sehr aufwendigen Art
und Weise erforderlich, die Wärmerohre
mit den Hüllrohren
und dem Wärme
leitenden Material auszutauschen. In diesem Zusammenhang tritt erschwerend
hinzu, dass nicht nur die Hüllrohre
in der Zwischenwand festgelegt werden, sondern zusätzlich auch
noch die Bereiche zwischen den Hüllrohren
und den Wärmerohren,
die das Wärme
leitende Material enthalten, gegenüber dem das zu erwärmende Fluid
führenden Kanal
abgedichtet sein müssen.
-
Der
Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde,
eine Anordnung zum Wärmetausch
zwischen zwei kanalisiert geführten
gasförmigen
Fluiden mittels Wärmerohren
zu schaffen, die sowohl dem Gesichtspunkt der geringen Korrosionsanfälligkeit
in dem mit dem höher
temperierten Fluid beaufschlagten Bereich, sondern auch einer einfachen
Montage bzw. Demontage sowie insbesondere einer problemlosen Zustandsprüfung der
Wärmerohre
Rechnung trägt.
-
Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs
1.
-
Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung ist die Modulbauweise. Diese erlaubt
es, ein gehäuseartiges
Modul mit einer Verdampferkammer und einer Kondensatorkammer sowie
mit Wärmerohren
komplett als Ganzes in die einander benachbarten, das Wärme abgebende
Fluid sowie das Wärme
aufnehmende Fluid führenden
Kanäle
zu integrieren, und zwar unabhängig
davon, ob die Fluide senkrecht oder waagerecht geführt werden.
-
Ein
weiterer wesentlicher Punkt ist die besondere Integration der Wärmerohre
in das Modul. Die Wärmerohre
erstrecken sich von der Verdampferkammer aus über einen zwischen der Verdampferkammer
und der Kondensatorkammer liegenden Testraum sowie die Kondensatorkammer
in eine von der Kondensatorkammer gasdicht getrennte Inspektionskammer.
Hiermit ist der Vorteil verbunden, dass sowohl vor Inbetriebnahme
der Anordnung als auch während
ihres Betriebs über
den Testraum stets die Dichtheit der Lagerungen der Wärmerohre
in den den Testraum von der Verdampferkammer und der Kondensatorkammer
trennenden Zwischenwänden überprüft werden
kann. So ist es beispielsweise möglich, den
Testraum vor Inbetriebnahme der Anordnung mit Luft zu beaufschlagen
und den Luftdruck im Testraum anschließend zu beobachten. Sinkt der
Luftdruck, bedeutet dies Undichtheit. Je nach Größe des Druckabfalls oder auch
des Charakters der im Wärmetausch
stehenden Fluide kann beispielsweise der Testraum auch mit einem
Sperrgas unter einem solchen Druck beaufschlagt werden, dass auf
keinen Fall Fluid aus der einen Kammer in die andere Kammer übertreten
kann. Eine unzulässige
Mischung der im Wärmetausch
stehenden Fluide, wie z.B. aggressives Rauchgas und Verbrennungsluft,
ist dadurch ausgeschlossen.
-
Dadurch,
dass die Enden der Wärmerohre
in eine von der Kondensatorkammer gasdicht getrennte Inspektionskammer ragen,
können
während
des laufenden Betriebs bei abgenommenem Verschluss (Deckel) der
Inspektionskammer die Enden hinsichtlich ihrer Temperatur kontrolliert
werden. Abweichende Temperaturen bedeuten, dass die Wärmerohre nicht
mehr intakt sind. Da die Wärmerohre
sowohl in den Durchtrittsbereichen der Zwischenwände als auch im Durchtrittsbereich
zwischen der Kondensatorkammer und der Inspektionskammer auswechselbar
gelagert sind, ist es problemlos möglich, jedes einzelne Wärmerohr
bei Bedarf austauschen zu können.
-
Die
Standzeit der Wärmerohre
wird ferner dadurch heraufgesetzt, dass die in der Verdampferkammer
liegenden Längenabschnitte
der Wärmerohre
korrosionsgeschützt
sind.
-
Die
in der Kondensatorkammer liegenden Längenabschnitte der Wärmerohre
können
beliebig ausgebildet sein, und zwar jeweils in Abhängigkeit von
dem Charakter und der Temperatur des Wärme aufnehmenden Fluids.
-
So
ist es gemäß Anspruch
2 beispielsweise möglich,
dass auch die in der Kondensatorkammer liegenden Längenabschnitte
der Wärmerohre
korrosionsgeschützt
sind. Dies ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn das zu erwärmende Fluid
ebenfalls aggressiver Natur ist.
-
Sind
Längenabschnitte
der Wärmerohre
korrosionsgeschützt,
so kann gemäß Anspruch
3 eine vorteilhafte Ausführungsform
darin bestehen, dass der Korrosionsschutz aus einer Emaillebeschichtung besteht.
Diese ist mithin direkt auf die äußeren Oberflächen der
Wärmerohre
aufgebracht.
-
Bei
gering aggressiven oder nicht aggressiven Fluiden ist ein Korrosionsschutz
der Längenabschnitte
in der Kondensatorkammer nicht erforderlich. Je nach den Wärme tauschanforderungen
können
dort die Längenabschnitte
unberippt oder entsprechend Anspruch 4 berippt sein. Die Berippung vergrößert die
Wärmetauscherfläche. Dadurch
ist es möglich,
bei gleicher Wärmetauscherleistung
eine geringere Anzahl an Wärmerohren
einzusetzen. Somit kann trotz der Berippung eine kostengünstigere, das
heißt
wirtschaftlichere Fertigung erzielt werden.
-
Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung wird in den Merkmalen des Anspruchs 5 erblickt. Danach
ist dem Modul ein weiteres Modul in Strömungsrichtung des höher temperierten
Fluids vorgelagert. Eine solche Anordnung wird dann gewählt, wenn
das höher
temperierte Fluid eine mit Sicherheit oberhalb des Schwefelsäuretaupunkts
liegende Temperatur aufweist. In diesem Fall brauchen die in der
Verdampferkammer des vorgelagerten Moduls liegenden Längenabschnitte
der Wärmerohre keinen
Korrosionsschutz aufzuweisen. Die in der Kondensatorkammer liegenden
Längenabschnitte der
Wärmerohre
können
berippt oder unberippt sein. Die beiden Module werden unmittelbar
hintereinander geschaltet und folglich hinsichtlich der Wärmerohre
den Wärmetauschbedingungen
gezielt angepasst.
-
Auch
die in dem vorgeschalteten Modul befindlichen Wärmerohre ragen bevorzugt in
eine von der Kondensatorkammer gasdicht getrennte Inspektionskammer.
Folglich sind diese Wärmerohre
während
des laufenden Betriebs ebenfalls hinsichtlich der Temperatur überwachbar.
-
Die
Lagerung der Wärmerohre
in den den Testraum von der Verdampferkammer und der Kondensatorkammer
trennenden Zwischenwänden
als auch in der die Kondensatorkammer von der Inspektionskammer
trennenden Zwischenwand kann mit Hilfe von Dichtringen erfolgen,
welche eine Demontage und Wiedermontage der Wärmerohre ermöglichen.
Zweckmäßig kann
aber auch die Bauart gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 6 sein. In diesem Fall sind im Bereich der Zwischenwand
konische Gewindekragen umfangsseitig an die Wärmerohre geschweißt. Durch
die Konizität
der Gewinde wird zugleich mit der Festlegung der Wärmerohre
in der Zwischenwand die Gasdichtheit sichergestellt.
-
Darüberhinaus
besteht die Möglichkeit,
die Wärmerohre
gemäß Anspruch
7 mit Hilfe von zylindrischen oder konischen Wulsten in die Zwischenwand
gasdicht einzusetzen.
-
Insbesondere
in Abhängigkeit
von der Aggressivität
der im Wärmetausch
stehenden Fluide kann es nach den Merkmalen des Anspruchs 8 von Vorteil
sein, dass der Testraum sowohl zur Verdampferkammer als auch zur
Kondensatorkammer hin durch jeweils eine mit einem gasundurchlässigen Material
befüllte
Kammer abgeschottet ist. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise
um Kunststoff oder Beton handeln.
-
Schließlich ist
es erfindungsgemäß noch denkbar,
dass nach Anspruch 9 in Strömungsrichtung
des höher
temperierten Fluids eine Wascheinrichtung den in der Verdampferkammer
liegenden Längenabschnitten
der Wärmerohre
vorgelagert ist. Diese Wascheinrichtung liegt also ebenfalls im
Modul und dient der Reinhaltung der Oberflächen der Wärmerohre.
-
Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 im
schematischen vertikalen Längsschnitt
eine Anordnung zum Wärmetausch
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
-
2 im
schematischen vertikalen Längsschnitt
eine Anordnung zum Wärmetausch
gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
-
3 im
schematischen vertikalen Längsschnitt
eine Anordnung zum Wärmetausch
gemäß einer
dritten Ausführungsform;
-
4 in
vergrößerter Darstellung
den Ausschnitt IV der 1;
-
5 in
vergrößerter Darstellung
den Auschnitt V der 2;
-
6 im
Querschnitt eine Anordnung zum Wärmetausch
gemäß einer
vierten Ausführungsform und
-
7 eine
Darstellung ähnlich
derjenigen der 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Mit 1 ist
in der 1 eine Anordnung zum Wärmetausch bezeichnet. Die Anordnung 1 umfasst ein
gehäuseartiges
Modul 2, das quer in zwei einander benachbarte Kanäle 3, 4 eingegliedert
ist. Der Kanal 3 führt
ein Wärme
abgebendes Fluid A in Form eines heißen Rauchgases und der Kanal 4 ein
Wärme aufnehmendes
Fluid B in Form von kalter Verbrennungsluft.
-
Das
Modul 2 weist eine Verdampferkammer 5 und eine
Kondensatorkammer 6 auf. Die Verdampferkammer 5 ist
von der Kondensatorkammer 6 durch zwei im Abstand zueinander
befindliche Zwischenwände 7, 8 getrennt
(siehe auch 4). Die Zwischenwände 7, 8 begrenzen
einen Testraum 9, der über
einen Stutzen 10 mit Luft bestimmten Drucks beaufschlagbar
ist.
-
Die
Kondensatorkammer 6 ist durch eine lösbare Bodenplatte 11 von
einer in einem Stutzen 12 mit Deckel 13 ausgebildeten
Inspektionskammer 14 getrennt.
-
Aus
der Verdampferkammer 5 erstrecken sich mehrere Wärmerohre 15 in
mindestens einer Reihe über
den Testraum 9 und die Kondensatorkammer 6 bis
in die Inspektionskammer 14.
-
Die
in der Verdampferkammer 5 liegenden Längenabschnitte 16 der
Wärmerohre 15 sind
mit einer Emailleschicht 17 als Korrosionsschutz versehen.
Die in der Kondensatorkammer 6 liegenden Längenabschnitte 18 der
Wärmerohre 15 weisen Rippen 19 auf.
-
Die
Lagerung der Wärmerohre 15 in
den Zwischenwänden 7, 8 erfolgt über Dichtringe 20.
Auch die Lagerung der Wärmerohre 15 in
der Bodenplatte 11 des Stutzens 12 erfolgt mittels
solcher Dichtringe 20.
-
Das
in die Verdampferkammer 5 strömende Fluid A (heißes Rauchgas)
gibt seine Wärme
an das in den Wärmerohren 15 befindliche Übertragungsfluid
ab, so dass aus der Verdampferkammer 5 ein abgekühltes Fluid
A1 tritt. Die von dem Übertragungsfluid
in den Wärmerohren 15 transportierte
Wärme wird
in der Kondensatorkammer 6 an das kalte Fluid B (Verbrennungsluft)
abgegeben, so dass aus der Kondensatorkammer 6 aufgeheiztes
Fluid B1 tritt.
-
Zur Überprüfung der
Dichtheit der Lagerungen der Wärmerohre 15 in
den Zwischenwänden 7, 8 dient
der Testraum 9. So kann z.B. über den Stutzen 10 Luft
bestimmten Drucks eingeblasen werden. Der Luftdruck wird beobachtet.
Sinkt er, deutet dies auf eine Undichtigkeit hin.
-
Andererseits
kann aber auch bei einer festgestellten Undichtigkeit über den
Stutzen 10 Sperrluft mit einem solchen Druck in den Testraum 9 geblasen werden,
der höher
ist als der Druck des Fluids A in der Verdampferkammer 5 und/oder
des Fluids B in der Kondensatorkammer 6. Auf diese Weise
kann kein Fluid A aus der Verdampferkammer 5 in die Kondensatorkammer 6 bzw.
kein Fluid B aus der Kondensatorkammer 6 in die Verdampferkammer 5 übertreten.
-
Über die
Inspektionskammer 14 kann die Temperatur im Wärmerohr 15 beobachtet
werden. Zu diesem Zweck muss der Deckel 13 abgenommen werden.
Die Inspektionskammer 14 ist dann durch die Bodenplatte 11 immer
noch von der Kondensatorkammer 6 getrennt. Die in die Inspektionskammer 14 ragenden
freien Enden der Wärmerohre 15 sind
jedoch zugänglich
und können
mithin temperaturgetestet werden.
-
Bei
der in der 2 veranschaulichten Anordnung 1a ist
dem Modul 2 gemäß 1 ein
weiteres gehäuseartiges
Modul 21 unmittelbar vorgelagert. Auch dieses Modul 21 umfasst
eine Verdampferkammer 22 sowie eine von dieser durch eine
Zwischenwand 23 getrennte Kondensatorkammer 24.
-
Aus
der Verdampferkammer 22 erstrecken sich Wärmerohre 25 in
mindestens einer Reihe über die
Zwischenwand 23 und die Kondensatorkammer 24 in
eine Inspektionskammer 14 in einem Stutzen 12,
der durch eine Bodenplatte 11 von der Kondensatorkammer 24 dicht
getrennt ist. Der Stutzen 12 weist einen Deckel 13 auf.
-
Die
Festlegung der Wärmerohre 25 in
der Zwischenwand 23 kann gemäß 5 durch
konische Gewindekragen 26 erfolgen, die umfangsseitig der
Wärmerohre 25 festgeschweißt sind
und in entsprechende Gewindebohrungen 27 in der Zwischenwand 23 eingedreht
werden.
-
Die
Festlegung kann aber auch entsprechend 5 untere
Hälfte
durch konische Wulste 41 erfolgen, die in entsprechende
Ausnehmungen 42 der Zwischenwand 23 eingesetzt
sind. Denkbar sind ferner zylindrische Wulste.
-
Die
in die Verdampferkammer 22 ragenden Längenabschnitte 28 der
Wärmerohre 25 besitzen keinen
Korrosionsschutz, da die Temperatur des in die Verdampferkammer 22 eintretenden
heißen
Fluids A deutlich oberhalb des Schwefelsäuretaupunkts liegt.
-
Die
in der Kondensatorkammer 24 liegenden Längenabschnitte 29 der
Wärmerohre 25 sind
mit Rippen 19 versehen.
-
Das
in die Verdampferkammer 22 des Moduls 21 tretende
heiße
Fluid A erwärmt
das Übertragungsfluid
in den Wärmerohren 25 sowie
das Übertragungsfluid
in den Wärmerohren 15 des
nachgeordneten Moduls 2. Aus der Verdampferkammer 5 des
Moduls 2 tritt sodann abgekühltes Fluid A1 aus.
-
Das Übertragungsfluid
transportiert die Wärme
in die in den Kondensatorkammern 24, 6 der Module 21, 2 liegenden
Längenabschnitte 29, 18 der Wärmerohre 25, 15,
so dass dann das in die Kondensatorkammer 6 des Moduls 2 eintretende
kalte Fluid B erwärmt
und aus der Kondensatorkammer 24 des Moduls 21 aufgeheiztes
Fluid B1 austritt.
-
Es
ist zu erkennen, dass in den 1 und 2 vertikale
Fluidströme
vorhanden sind. Aufgrund dessen sind die Wärmerohre 15, 25 in
den Modulen 2, 21 unter 3° leicht zur Horizontalen geneigt angeordnet.
-
Bei
der in der 3 veranschaulichten Anordnung 1b handelt
es sich im Prinzip um die in 2 dargestellte Anordnung 1a,
nunmehr jedoch bei waagerechten Fluidströmen. Eine nochmalige Erläuterung
ist deshalb entbehrlich.
-
Bei
der in der 6 dargestellten Anordnung 1c sind
wiederum vertikale Fluidströme
vorhanden. In die die Fluide führenden
Kanäle 3, 4 ist
ein Modul 2a entsprechend demjenigen der 1 und 4 eingegliedert.
Die Wärmerohre 30 in
diesem Modul 2a, d.h. die in die Verdampferkammer 5a ragenden Längenabschnitte 31 und
die in die Kondensatorkammer 6a ragenden Längenabschnitte 39 sind
jedoch über
ihre gesamte Länge
mit einer Emailleschicht 17 als Korrosionsschutz versehen.
-
Außerdem ist
zu erkennen, dass in der Verdampferkammer 5 oberhalb der
in dieser liegenden Längenabschnitte 31 der
Wärmerohre 30 eine Wascheinrichtung 32 vorgesehen
ist, über
die die Oberflächen
der Wärmerohre 30 gereinigt
werden können.
-
Ansonsten
entspricht die Anordnung 1c der 6 derjenigen
der 1, so dass eine nochmalige Erläuterung nicht notwendig ist.
-
In
der 7 ist eine Ausführungsform veranschaulicht,
die der Darstellung der 4 ähnelt. Diese Ausführungsform
zeigt jedoch neben einem Testraum 33 mit Stutzen 34 mit
einem gasundurchlässigen
Material 35 befüllte
Kammern 36 mit Einführstutzen 40,
durch welche der Testraum 33 sowohl zu einer Verdampferkammer 37 als
auch zu einer Kondensatorkammer 38 hin abgeschottet ist.
Ansonsten entspricht die Darstellung der 7 derjenigen
der 4, so dass eine nochmalige Erläuterung entbehrlich erscheint.
-
- 1
- Anordnung
- 1a
- Anordnung
- 1b
- Anordnung
- 1c
- Anordnung
- 2
- Modul
- 2a
- Modul
- 3
- Kanal
- 4
- Kanal
- 5
- Verdampferkammer
- 5a
- Verdampferkammer
- 6
- Kondensatorkammer
- 6a
- Kondensatorkammer
- 7
- Zwischenwand
- 8
- Zwischenwand
- 9
- Testraum
- 10
- Stutzen
- 11
- Bodenplatte
- 12
- Stutzen
- 13
- Deckel
- 14
- Inspektionskammer
- 15
- Wärmerohre
- 16
- Längenabschnitte
v. 15
- 17
- Emailleschicht
- 18
- Längenabschnitte
v. 15
- 19
- Rippen
auf 18, 29
- 20
- Dichtringe
- 21
- Modul
- 22
- Verdampferkammer
- 23
- Zwischenwand
- 24
- Kondensatorkammer
- 25
- Wärmerohre
- 26
- Gewindekragen
- 27
- Gewindebohrungen
- 28
- Längenabschnitte
v. 25
- 29
- Längenabschnitte
v. 25
- 30
- Wärmerohre
- 31
- Längenabschnitte
v. 30
- 32
- Wascheinrichtung
- 33
- Testraum
- 34
- Stutzen
- 35
- Material
- 36
- Kammern
- 37
- Verdampferkammer
- 38
- Kondensatorkammer
- 39
- Längenabschnitte
v. 30
- 40
- Einführstutzen
- 41
- konische
Wulste
- 42
- Ausnehmungen
f. 41
- A
- heißes Fluid
- A1
- abgekühltes Fluid
- B
- kaltes
Fluid
- B1
- aufgeheiztes
Fluid