DE2001094C - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Frlindung betrifft einen Wärmetauscher für von einem Ofen herrührende Abgase und ein vorzuwärmendes Gas mit einer inneren und einer äußeren Röhre, die ineinandergesteekt zwischen sich einen Durchlaß bilden, in welchem Abstandhalter angeordnet sind, die jeweils aus einem von der einen Roh η ausgehenden Hakenstück und einem an der anderer Röhre befestigten ösenstück bestehen, wobei das Ha kenstück aus einem sich zur anderen Röhre hin er streckenden Basisteil und einem sich quer dazu er streckenden Dornteil besteht, welches vom Ösenstücl mit dem nötigen Spiel derart umschlossen wird, daL den auftretenden thermischen Dehnungen Rechnung getragen ist, wobei die Abstandhalter in gleichlaufen

xo den Reihen angeordnet sind, die über die Röhren ver teilt sind.

Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der deutschen Auslegeschrift I 0G8 856 bekannt. Dieser ^bekannte Wärmetauscher ist aus einer inneren und einei äußeren Röhre zusammengesetzt und weist zwischcr beiden Röhren einen Durchlaß für die zu erwärmende Luft auf. Das innere Rohr ist mit auf das äußere Rohi gerichteten Längsrippen versehen. Weiterhin sind mil den Rippen des Innenrohrs verbundene und im Ab

so stand zum Innenrohr angeordnete Bandagen vorgesehen, die die zur radialen Verankerung des Innenrohres vorgesehenen Ösenstücke tragen, in welche von dem Außenrohr ausgehende Hakenstücke eingreifen Die Hakenstückc, die als Querbolzen tragende Schrauben ausgebildet sind, sind dabei mit ihrem anderen Ende über Muttern am Außenrohr verankert.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Wärmetauscher, daß durch die Abstandhalter ein Mindestabstand zwischen Innen- und Außenrohr nicht bestiroml wird, dies erfolgt offenbar durch die Längsrippen des Innenrohres, was bedeutet, daß die bekannte Bauweise an das Vorhandensein von Längsrippen gebunden ist. Weiterhin ist das Zusammenfügen von inncrei und äußerer Röhre einschließlich der Abstandhaltei umständlich, zumindest weil an jedem Abstandhaltei eine Mutter angezogen werden muß, die bei den hohen Betriebstemperaturen nur schwer wieder lösbai ist.

Ferner kann der USA.-Patentschrift 3 346 042 ein Wärmetauscher entnommen werden, dessen Abstandsstücke zwischen den beiden konzentrischen Rohren in Form von Rollen ausgeführt sind, die in bestimmten Reihen um die innere Röhre versetzt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgchend von Wärmetauschern der eingangs bezeichneter bekannten Art eine Bauweise zu finden, die auch eint betriebssichere Festlegung des Mindestabstands dei Röhren gewährleistet, wenn im Durchlaß keine Warmetausehrippcn vorhanden sind, und die den Zusammenbau der beiden Röhren und der Abstandhalter aiii einfache Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs bezeichneten bekannten Gattung von Wärmetauschern, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fr Streckung des Basisteils zur anderen Röhre hin so be messen ist, daß sie den Mindeslabstand der beider Röhren an dieser Stelle festlegt, und daß die Domicile von in mindestens einer ersten Reihe angeordneter Hakenslücken alle in eine gemeinsame erste Richtung weisen, während die Domicile aller in mindesten? einer zweiten Reihe angeordneten Ilakenslücke ii die entgegengesetzte Richtung weisen, so daß dii Abstandhallci-Reihcn sich gegenseitig, jedoch die thermische Dehnung in der Dornrichtimg zulassend verriegeln.

Vorteilhalte Ausgestaltungen des F.rfindungsge-

gcnstandcs sind in den Unlcransprüchcii niedergelegt Im folgenden werden an Hand der Figuren Auf

bau und Wirkungsweise von Ausführungsheispielcn der Erfindung im einzelnen näher 'Tläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Längsachse eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

F i g. 2 in senkrechter Aufsicht die innere Röhre des Wärmetauschers nach Fig. 1,

Fig.3 in einer senkrechten Aufsicht die äußere Röhre des Wärmetauschers nach Fig. 1,

Fig.4 in einer vergrößerten Darstellung in Hakenstiicke und ein Ösenstück, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.5 eine Aufsicht auf die in Fig.4 dargestellten Teile,

Fig. 6 eine andere mögliche Ausführungsform der Abstandhalter zwischen innerer und äußerer Röhre.

In Fig. J ist ein aus einer inneren Röhre· 10 und einer äußeren Röhre 12 bestehender Wärmelauscher dargestellt; die Röhren können aus Stahl oder einem anderen passenden Material bestehen. Mit Hilfe eines verstärkenden Bandes 16 ist ein metallischer Ausdehnungskörper, nämlich ein Fcderungsblech 14 an die äußere Röhre 12 angeschweißt, desgleichen mittels eines weiteren Bandes 17 an den oberen Teil eines Einlaßraumes 18. An dem oberen linde wird der Durchlaß zwischen den beiden Röhren 10 und 12 über eine Querwand Il geschlossen und dadurch ein Auslaßraum 20 gebildet. Die Wände des Einlaßraumes 18 und des Federungsbleches 14 verbinden zusammen die anderen Enden der Röhren 10 und 12 und bilden dadurch eine einheitliche Anordnung.

Da die innere Röhre 10 und die äußere Röhre 12 während des Betriebes unterschiedliche Temperaturen aufweisen, weil sie Gasen unterschiedlicher Temperaturen ausgesetzt sind, werden si ■ sich um unterschiedliche Beträge ausdehnen. In der wärmeisoiierenden Seitenwand 46 ist ein Raum IJ vorgesehen, um eine Anpassung gegenüber der Wärmeausdehiumg tier äußeren Röhre 12 und der Isolation 46 /ti erreichen. Das Federungsblech 14 arbeilet auf bekannte Art, um die größere axiale Ausdehnung der inneren Röhre 10 gegenüber der äußeren Röhre 12 aufzunehmen und zu ermöglichen, und dadurch weiterhin eine Abdichtung des Einlaß- und Auslaßrai.mes smvie lies clic beiden verbindenden Durchlasses aufuchl/ucihalten.

(Hier eine Linlaßverbindung 22, die mittels einer Leitung 28 mit einem Druckgebläse 24 verbunden ist. wird dem Einlaßraum 18 zu erhitzende \'jthrcnnungsluft zugeführt. Ober nicht dargestellte I jiiungen ist der Auslaßraum 20 mit den Brennern im Ofen verbunden, um diese mit Verhrennungslult zu \ ei sengen. Die Räume 18 und 20 sind so gebaut, daß sie die Röhren 10 und 12 an jedem Ende ringförmig umgeben und daß als konstante Druckkammern für die zugeführten und abgeführten Luftmengen dienen, nachdem diese durch die Verbrennungsgase, die zum Wa'rinetauseh die innere Röhre 10 durchströmen, erhitzt worden sind. Die heißen Verhreniiungsgase. die durch das Innere der Röhre 10 ausgestoßen werden, erhitzen die innere Oberfläche der Röhre 10 und bewirken einen Wärmeiibertriü von der äußeren Oberfläche der Röhre 10 auf die den von tier inneren Röhre 10 und der äußeren Röhre 12 gebildeten ringförmigen Durchlaß durchströmende Luft. Zur Vermeidung tier eingangs geschilderten Schwierigkeiten sind nun Reihen von Abstandhalten! 50 vorgesehen, die die innere Röhre innerhalb eines bestimmten Abstandes zu d'T äußeren Röhre 12 halten und dadurch ein nach innen Knicken, d. h., ein Einknicken in Richtung auf die andere Röhre und dadurch eine Verringerung des ringförmigen Durchlasses zwischen den beiden Röhren-Mantelflächen verhindern. In den Fig.4 und 5 sind die aus einem Hakenstiick 51 und aus einem Ösenstück 52 bestehenden Abstandhalter 50 nochmals vergrößert dargestellt. Im dort dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Hakenstück 51 aus einem

ίο länglichen Basisteil 51 α mit einem sich senkrecht dazu erstreckenden Dornteil 51 b. Der ösenförmige, zur Aufnahme des Hakens bestimmte Teil 52 (ösenstück) besteht aus einem U-förmigen Bügel. Diese Teile sind mit der inneren bzw. der äußeren Röhre, und zwar vorzugsweise durch Schweißung, verbunden.

Die Abmessungen des zu dem Hakenstiick 51 gehörenden Dornteils 51 b sind so gewählt, daß eine begrenzt gleitende Verbindung zwischen dem Ösenstück

52 und dem Dorntei! 51 b ermöglicht wird, um es der inneren und äußeren Röhre 10, 12 zu ermöglichen, sich um verschiedene Beträge auszudehnen bzw. zusammenzuziehen und dennoch den von ihnen gebildeten Durchlaß innerhalb vorgegebener Grenzen hinsichtiuli seiner Größe für den Verbrennungsluftdurchsatz aufrechtzuerhalten. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß die Ausdehnung bzw. Zusammenziehung bei den Ausführungsbeispielen tier F i g. 4 und 5 nicht nur quer zu dem gebildeten Durch-

laß ermöglicht wird, d. h. eine Bewegung der Röhren 10 und 12 aufeinander zu bzw. voneinander weg, sondern daß auch eine unterschiedliche, differenzierte Ausdehnung innerhalb einer einzigen Röhre ermöglicht wird. In begrenztem Maße ist auch eine seilliche Bewegung im Hinblick auf den Durchlaß möglich. Zusätzlich ist dann aber auch noch eine Bewegung in der dritten, d. h. ir. der axialen Richtung, gestattet, wenn unterschiedliche Ausdeliiumgsbeträge bewirken, daß sich die innere Röhre 10 nach oben bzw. axial stärker

4" als die äußere Röhre 12 ausdehnt. Zusammengefaßt ergibt sich somit, daß begrenzte Bevvegiingsmöglichkeiten für die eine Röhre im Hinblick auf die andere durch die Abstandhalter 50 ermöglicht werden, und zwar sowohl in jeder der drei Richtungen einzeln als auch gleichzeitig in sämtlichen tlrei Richtungen zusammen, überall da, wo unterschiedliche Ausdeh-■lungsbetrage auftreten können.

Line andere Ausführiingsform eines Abstandhalters 50«, bei tier ein Hakenstiick 51 verwendet wird,

5« wie es schon in den F i g. 4 und 5 beschrieben worden ist, wird in F i g. 6 beschrieben. Das Ösenstück 53 besteht hier aus einem zur Aufnahme des Hakcnsuicks 51 bestimmten Teil, welches wie ein Hakenstiick 51 ausgebildet ist, mit welchem es zusammenwirkt und ilen erwünschten Absland aul'reehlei hält. Diese Anordnung ermöglicht die Anpassung an drei dimensionale Unterschiede in ilen Betrügen der Ausdehnung und Zusammenziehung der beiden Mantelflächen und weist trotzdem nicht die vollständig geschlossene Ölfiiung auf, wie sie durch das Ösenstück 52 in den I·' i g. 4 und 5 gegeben ist. Beispielsweise kann das verlängerte liasisteil des hakenförmigen Öscnslücks 53 auch eine Verstärkung für die äußere Röhre 12 bedeuten. Da tier Umfang des ösenstückes 53 an einer Se:'.^ offen ist, können auch Schwierigkeiten, die sich unter Umständen beim Zusammenbau des Wärmetauschers wegen des I inrastens eines Hakenstücks in einem Osenslück i't'i'i'beii. vi'rrini'iTl U't'irlivi

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In Fig. 2 ist die räumliche Anordnung der Hakenstiicke 51 dargestellt. Vorzugsweise sind die Ilakenstücke 51 außen an der inneren Röhre 10 befestigt, und zwar in Reihen um die Röhre 10 herum. Dabei können die Hakenstücke 51 einer Reihe im Hinblick auf die Hakenslücke in einer benachbarten Reihe versetzt angeordnet sein, so daß sich eine gleichmäßigere Verteilung der tragenden Kräfte zwischen innerer und äußerer Röhre ergibt. Weiterhin können die Reihen in mehrere Gruppen bzw. Zonen, wie in Fig. 2 gezeigt, gegliedert sein. Die Abmessungen der Hakenstücke by*, öscnstückc in der einen Zone können sich im Hinblick auf die Abmessungen von Hakenstückcn und Öscnstückcn in einer anderen Zone unterscheiden, um eine Anpassung an unterschiedliche AusdehiHings- und Zusammeivziehungsbelräge zwischen den jeweiligen Zonen zu gewährleisten. Beispielsweise kann sich in Zone 1 der Fi g. 2 das Basisteil des Hakenstücks 51 um einen bestimmten Betrag von der inneren Röhre 10 nach außen erstrecken. In der Zone 2 kann sich das Basisleil des Hakenstücks von der Röhre 10 nach außen um einen größeren als den für die Hakenstücke in der Zone 1 gewählten Betrag nach außen erstrecken, da in diesem Gebiet —Zone 2 — eine größere Ausdehnung der äußeren Röhre 12 vorliegt, da die ursprünglich relativ kühle Verbrennungsluft, die in die Zone 1 einströmt, dort schon Wärme aufgenommen hat. Ähnlich kann sich das Basisleil in /one 3 noch weiter von der äußeren Oberfläche der inneren Röhre 10 erstrecken, da die Verbrennungsluft in Zone 3 noch wärmer als in der Zone 2 ist. Während also in diesem Zusammenhang die nach außen gerichtete r.rstreckung des Basistcils des Hakenstücks 51 geändert wird, ist darauf hinzuweisen, daß zur Anpassung an unterschiedliche Ausdehnung- bzw. Ziisammenziehungsbcträgc in den verschiedenen Zonen bzw. Gebieten des Wärmetauschers auch andere Abmessungen sowohl des Hakenstücks 51 als auch des zur Aufnahme des Hakenstücks bestimmten Öscnstiicks geändert werden können.

Durch «lic Ausdehnung des Basistcils 51 a des Hakenstücks 51 in Richtung aiii die andere Röhre wird der Ve?schiebungsweg lu-gicnzt, den die beiden Mantelflächen in Richtung aufeinander zurücklegen können und ein vorbestimmter Mindestabstand bzw. Mindestraum zwischen den beiden Mantelflächen aufrechterhalten.

Dabei begrenzt der Raum bzw. der Absland zwischen der Innenseite des senkrecht zu dem Basisteil 51 α verlaufenden Dornteils 51/' \on der inneren Mantelfläche, und zwar im Zusammenwirken mit den Abmessungen des Schlitzes bzw. der öffnung, die \on dem Öscnstück 52 gebildet ist. die Verschiebung der beiden Mantelflächen voneinander weg und bestimmt dadurch den Maximalabstand zwischen den beiden Mantelflächen.

Die jeweiligen, weiter oben erwähnten Abn.jssun pen können geändert werden, um maximale bzw. minimale Räume vor und nach der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung zwischen den verschiedenen Zonen zu bestimmen, um die Größe des Duichlasses in Abhängigkeit von der Temperatut zu ändern, wodurch Ausbeulungen bzw. Ausknickungcn gegeneinander verhindert werden und der vorgesehene Wärmeaustausch ermöglicht wird.

F i g. 2 kann entnommen werden, daß die 1 lakcnstückc in der dritten /one mit ihrem Dornteil nach unten gerichtet sind, während die Domicile in dci ersten und in der /weiten Zone nach oben zeigen. Diese Orientierung der Hakenstücke in entgegengesetzten Richtungen verhindert nach dem Zusammenbau der inneren und der äußeren Röhre — was im folgenden nach beschrieben wird— daß sich die Hakenstücke und die jeweiligen Ösenslücke voneinander lösen und somit ihre Funktion nicht mehr erfüllen können. Entsprechend ergibt das Zusammenfügen der inneren und äußeren Röhre am oberen und unteren linde ein einheilliches Ganzes, wobei durch das gewellte Fedcrungsblech Zusammenziehung und Ausdehnung in Richtung der vertikalen Achse des Wärmelauschers ermöglich wird. Somit können die Abmessungen bzw. die Größe des /wischen der inneren und der äußeren Röhre gebildeten Raumes innerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreile aufrechterhalten werden, um den Wärmeaustausch zwischen den Abgasen und einer bestimmten, durch den Durchlaß fließenden Verbrennungsluftmenpe zu ermöglichen. Weiterhin

so wird ein bestimmter Luftdurchsatz aufrechterhalten, w;:s hilft, die Bildung' örtlich heißer Stellen infolge Temperaturerhöhung wegen einer Verringerung des Durchlaßes zu verhindern.

Wie Fig. 3 entnommen werden kann, sind die Ösenstücke 52 innen an der äußeren Röhre angebracht, deiart, daß sie in die an der äußeren Wand der inneren Röhre angebrachten Hakenstücke 51 einrasten können.

Der Zusammenbau der beiden Mantelflächen erfolgt in der Weise, daß die innere Röhre IO zunächst in zwei Teile geteilt ist. Zunächst wird die äußere Röhre 12 iibci den aus tier ersten und zweiten Zone bestehenden unteren Teil dei inneren Röhre gcstüipt und weitei iibeigcschohen, wobei die über den Umfang \eileillen Ösenstücke 52 zwischen den Hakcnstückcn 51 lii'gen müssen, um ein ungestörtes Durehglcilcn der die Ösen.Nlücke bildenden U-förmigen Bügel zwischen den Hakenslücken zu ermöglichen, wenn die äußere Röhre über die innere Röhre gleitet. Wenn die Reihen der oscnstückc 52 schließlich eine Stellung erreicht haben, wo sie sieh genau über den entsprechenden Rl-uvjii der I lal.enslücke 51 befinden, wird die äußere Röhre gedreht, um jedes Öscnstück direkt über das ihm zugeordnete Hakenstuck zu bringen. Die i'.ußero Röliic wird dann weiter abgesenkt, wodurch die sich nach oben ölfnenden Hakenslücke in die entsprechenden U-föiniigen Bügel einrasten können. Dann wird das /weile Tcilstiick der inneren Röhre, das aus der drillen, oberen Zone besteht, deren Hnkcnstiickc sich sämtlich nach unten öffnen, in den oberen Teil der äußeren Röhre hineingegeben und abgcsenki. Dabei sind die Hakenstücke wiederum so zwischen den Ösenstücken verteilt, daß ein Hineingleiten möglich ist. Wenn die Reihen der Hakenstücke in der drillen Zone schließlich eine Stellung genau oberhalb der entsprechenden Reihen von Ösenslükken erreicht haben, wird das zweite Teilslück gedreht, um jedes Hakenstück direkt über das ihm entsprechende Ösenslüik zu bringen. Das zweite Teilstiicfc wird dann weiter abgesenkt, wodurch die sich nacli unten öffnenden Hakenstücke schließlich in dieOsenstiickc eingreifen. Die beiden Teilstücke der inneren Röhre weiden dann im letzten Arbeitsgang gegeneinander dutch Schweißung gesichert und invcrrücl.bni zusammengefügt. Da sich die Hakensliitkc sowohl nach utiUii ;iK auch nach oben öffnen, ist die äußere Röhic. wenn die Haken in die entsprechenden ösenstücke hul'i lastet sind, in einer einheitlichen Verbin-

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dung im Hinblick auf die innere Röhre festgehalten. Die Abmessungen der Haken- und ösenstücke erlauben eine gleitende Verbindung, obwohl die beiden Röhren ständig in einer einheitlichen Baugruppe während Ausdehnung bzw. Zusammenziehung gehalten sind. Dabei wird normalerweise die innere und üblicherweise heißere Röhre eine größere Änderung in ihren Abmessungen erfahren als die äußere und normalerweise kühlere Röhre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für von einem Ofen herrührende Abgase und ein vorzuwärmendes Gas mit einer inneren und einer äußeren Röhre, die ineinaiulergesteekt zwischen sich einen Durchlaß bilden, in welchem Abstandhalter angeordnet sind, die jeweils aus einem von der einen Röhre ausgehenden Hakenstück und einem an der anderen Röhre befestigten Ösenstück bestehen, wobei das Hakenstück aus einem sich zur anderen Röhre hin erstreckenden Basisteil und einem sich quer dazu erstreckenden Dornteil besteht, welches vom Ösenstück mit dem nötigen Spiel derart umschlossen wird, daß den auftretenden thermischen Dehnungen Rechnung getragen ist, wobei die Abstandhalter in gleichlaufenden Reihen angeordnet sind, die über die Rühren verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstrekkung des Basisteils (51 ei) zur anderen Röhre hin so bemessen ist, daß sie den Mindestabstdiid der beiden Röhren (10, 12) an dieser Stelle festlegt, und dal? die Dornteile (51 b) von in mindestens einer ersten Reihe angeordneten Hakenstücken alle in eine gemeinsame erste Richtung weisen, während die Dornteile aller in mindestens einer /weilen Reihe angeordneten Hakenslücke in die entgegengesetzte Richtung weisen, so daß die Abstandhalter-Rcihcn sich gegenseitig, jedoch die thermischen Dehnungen in der Dornrichtung zulassend, verriegeln.

2. Wärmetauscher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe mit den übrigen Reihen entgegengesetzter Dornrichtung au einem F.nde der inneren Röhre (10) liegt.

.V Wärmetauscher nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (50) einer Reihe im Hinblick auf die Abstandhalter in einer benachburlen Reihe in an sich bekannter Weise versetzt angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche I bis .Ί, dadurch gekennzeichnet. daß Ahstandhallcr-Rcihcn in Gruppen zusammengefaßt sind und die Frstreckung der Basisiuile zur anderen Röhre hin sowie das Spiel zwischen Hakeiisliick und Ösenstück (52, 53) win Gruppe zu Gruppe \erschieden sind, um unterschiedliche Beträge der !heimischen Dehnungen auszugleichen.

5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erleichtern des Verriegclns die Osenstiieke (53) über einen Teil ihres Umfangs offen sind.

fi. Wiirmetausjlier nach einem oder mehreren der .Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dorurichtimg parallel zur Röhrenachse verläuft.