DE2253493A1 - HEAT EXCHANGER - Google Patents

HEAT EXCHANGER

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DE2253493A1
DE2253493A1 DE2253493A DE2253493A DE2253493A1 DE 2253493 A1 DE2253493 A1 DE 2253493A1 DE 2253493 A DE2253493 A DE 2253493A DE 2253493 A DE2253493 A DE 2253493A DE 2253493 A1 DE2253493 A1 DE 2253493A1
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Joseph Gerstmann
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STEAM ENGINES SYSTEMS CORP
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    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B27/00Instantaneous or flash steam boilers
    • F22B27/04Instantaneous or flash steam boilers built-up from water tubes
    • F22B27/08Instantaneous or flash steam boilers built-up from water tubes bent helically, i.e. coiled
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/43Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes helically or spirally coiled
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely

Description

8899-72/kö/S
Convention Date:
November 3, 1971
8899-72 / kö / S
Convention Date:
November 3, 1971

Steam Engine Systems Corporation, Watertown, Mass., V.St.A,Steam Engine Systems Corporation, Watertown, Mass., V.St.A,

WärmeaustauscherHeat exchanger

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Übertragen der Wärme von heißen Verbrennungsgasen auf das zu erhitzende Medium. Der Wärmeaustauscher ist insbesondere für die Verwendung in Heiz- und Verbrennungsanlagen wie Dampferzeugern, beispielsweise für Rankine-Motoren (nach dem Rankine-Prozess arbeitende Antriebs maschinen), oder Wassererhitzern, beispielsweise für Heizanlagen für Wohnungen und Gebäude, sowie für andere Zwecke geeignet.The invention relates to a heat exchanger for transferring the heat from hot combustion gases to the medium to be heated. The heat exchanger is particularly suitable for use in heating and combustion systems such as steam generators, for example for Rankine motors (drive machines working according to the Rankine process), or water heaters, for example for heating systems suitable for apartments and buildings, as well as for other purposes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, mit dem erreicht wird, daß solche Heizvorrichtungen mit einem besseren Wirkungsgrad als bekannte Vorrichtungen arbeiten und trotzdem weniger an Verunreinigungen, besonders an Stickstoffoxyden, erzeugen und außerdem sehr kompakt ausgebildet sowie verhältnismäßig billig hergestellt und betrieben werden können.The invention is based on the object of a heat exchanger to create with which it is achieved that such heating devices work with a better efficiency than known devices and still less impurities, especially of nitrogen oxides, and also very compact and can be manufactured and operated relatively cheaply.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Anordnung von mehreren aufeinanderfolgenden Schlangen von geripptem Rohr mit Spiralwindung in zunehmend größeren Abständen von einer gemeinsamen Achse, welche die Achse eines Kegels, dessen Erzeugende einen eingeschlossenen Winkel von mindestens ungefähr 50° hat, ist, wobei die Rohrwindungen jeder Schlange jeweils zwischen Windungen einer benachbarten Schlange auf einer zu der ErzeugendenTo achieve this object, a heat exchanger of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention by an arrangement of several successive coils of corrugated tube with spiral winding at increasingly larger intervals of one common axis, which is the axis of a cone, the generatrix of which has an included angle of at least approximately 50 °, is, the pipe turns of each coil between turns of an adjacent coil on one to the generatrix

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senkrechten Linie zentriert und die Schlangen dicht gewunden und zusammengepackt sind, derart, daß die Rippen der Windungen jedes Schlangenpaares mindestens annähernd im Eingriff mit den Rippen zweier Windungen der selben Schlange und zweier Windungen der anderen Schlange des Paares sind, und wobei die Schlangen so verbunden sind, daß ein Speisemedium durch das Rohr der Schlangen von einem Einlaß in einer ersten Schlange zu einem Auslaß in einer zweiten Schlange geleitet wird und eine poröse Sperre für den seitlichen Durchtritt von Heißgasen gebildet wird, derart, daß das Speisemedium durch Überströmen der Rippen und des Rohres erhitzt wird. Vorzugsweise beträgt der von der Erzeugenden des Kegels eingeschlossene Winkel ungefähr 60 .centered on the vertical line and the serpents are tightly coiled and packed together so that the ribs of the coils each Snake pair at least approximately in engagement with the ribs of two turns of the same snake and two turns of the other Snake of the pair, and wherein the snakes are connected so that a feed medium passes through the tube of the snakes from an inlet in a first coil to an outlet in a second coil and a porous barrier for the lateral passage of hot gases is formed in such a way that the feed medium is heated by flowing over the ribs and the tube will. The angle enclosed by the generatrix of the cone is preferably approximately 60.

Ein in dieser Weise als Außenwandung einer Brennkammer ausgebildete Wärmeaustauscher hat einen hohen Wirkungsgrad, da wegen der dichten Packung der gerippten Rohre mit vielen gegenseitig ineinandergreifenden Rippen das Vorbeiströmen an den Rippen minimal ist und die Heißgase gezwungen werden, die Rippen auf allen Seiten der Rohre zu überströmen. Aufgrund des kegelstumpfförmigen Aufbaus können die gerippten Rohrschlangen unabhängig auf einem Dorn gewickelt und dann in der dicht gepackten Schlangenanordnung über_ einander gelagert werden , was im Hinblick auf einfache Herstellung wichtig ist und z.B. bei zylindrisch gewickelten oder gewundenen Schlangen nicht möglich wäre.A formed in this way as the outer wall of a combustion chamber Heat exchanger has a high degree of efficiency because of the tight packing of the finned tubes with many interlocking ones Ribs the flow past the ribs is minimal and the hot gases are forced to the ribs on all sides overflow of the pipes. Due to the frustoconical structure the ribbed pipe coils can be independently wound on a mandrel and then in the tightly packed coil arrangement over_ are stored with each other, which is important in terms of ease of manufacture and e.g. with cylindrically wound or winding snakes would not be possible.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein solcher Wärmeaustauscher gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Heizvorrichtung mit einer in der Rohrschlangenanordnung angeordneten Einrichtung, welche Flammen von gezündetem Brennstoff gegen die innere Schlange im wesentlichen gleichmäßig um die Achse der Anordnung herum richtet. Diese Einrichtung enthält vorzugsweise einen Flammenhalter mit einer durchlöcherten Fläche, deren Löcher sehr klein und zahlreich sind, so daß das hindurchtretende Gemisch aus Luft und gasförmigem oder verdampftem Brennstoff eine große Vielzahl von Flammen mit kleinem Durchmesser und sehr großer Gesamtfläche bildet. Die durchlochte Fläche des Flammenhalters ist vorzugsweise eine Lochplatte mit gleichmäßig beabstandeten Löchern mit einem Durchmesser von ungefähr 0,064 bis 0,165 cm, die unge-In a further development of the invention, such a heat exchanger is characterized by its use in a heating device with a device arranged in the coiled tubing, which flames of ignited fuel against the inner The snake is directed substantially evenly around the axis of the assembly. This device preferably includes one Flame holder with a perforated surface, the holes of which are very small and numerous, so that the mixture passes through Air and gaseous or vaporized fuel produce a wide variety of flames with a small diameter and a very large total area forms. The perforated surface of the flame holder is preferably a perforated plate with evenly spaced holes with a diameter of approximately 0.064 to 0.165 cm, the un-

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fähr 10 bis 25 % der Fläche der Lochplatte einnehmen können. Der Flammenhalter ist vorteilhafterweise als ein Konus ausgebildet, dessen Erzeugende einen Winkel einschließt, der im wesentlichen dem durch die Rohrschlangenanordnung gebildeten eingeschlo£ senen Winkel der Brennkammer angepaßt ist,innerhalb deren er gleichachsig mit den Rohrschlangen angeordnet ist, so daß seine flammenbildenden Flächen im wesentlichen gleiche.Abstände von der innersten Rohrschlange der Anordnung haben.can take up about 10 to 25 % of the area of the perforated plate. The flame holder is advantageously designed as a cone, the generatrix of which includes an angle which is substantially matched to the included angle of the combustion chamber formed by the pipe coil arrangement, within which it is arranged coaxially with the pipe coils, so that its flame-forming surfaces are essentially the same . Clearances from the innermost pipe coil of the arrangement.

Eine solche Heiz- oder Verbrennungsvorrichtung mit ihrem sehr großen Verhältnis von Flammenoberfläche zu Brennkammervolumen ergibt eine sehr wirksame und schnelle Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches, so daß eine hohe Ausströmgeschwindigkeit aus der Brennkammer und ein rasches Abkühlen (Quenchen) durch Kontakt mit den gerippten Rohrschlangen sowie eine im wesentlichen, einheitliche Verweilzeit der verbrannten Gase in der Brennkammer aufgrund der parallelen Anordnung der Flammenquelle zum Inneren der Rohrschlangenanordnung erzielt werden können. Eine solche rasche, gleichmäßige Ausströmung und Abkühlung ist nicht nur im Hinblick auf guten Wirkungsgrad und kompakten Aufbau wichtig, sondern verhindert auch die Bildung übermäßiger Mengen von luftverschmutzenden Stickstoffoxyden, da für deren Bildung nur kurze Zeit bei hoher Temperatur zur Verfügung steht und da wegen der einheitlichen Verweilzeit der Verbrennungsgase verhindert wird, daß Teilmengen derselben über die mittlere Verweilzeit hinaus und länger, als für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, in der Brennkammer bleiben.Such a heating or combustion device with its very large ratio of flame surface to combustion chamber volume results in a very efficient and rapid combustion of the fuel-air mixture, so that a high outflow velocity from the combustion chamber and rapid cooling (quenching) through contact with the finned coils as well as a substantially uniform one Residence time of the burned gases in the combustion chamber due to the parallel arrangement of the flame source to the interior of the coil arrangement can be achieved. Such rapid, even outflow and cooling is not just in view important to good efficiency and compact design, but also prevents the formation of excessive amounts of air pollutants Oxides of nitrogen, as their formation only takes a short time at high Temperature is available and because of the uniform residence time of the combustion gases is prevented that partial quantities the same beyond the mean residence time and longer than is necessary for complete combustion in the combustion chamber stay.

Vorzugsweise sind die aufeinanderfolgenden Schlangen der Rohranordnung von innen nach außen mit jeweils weniger Windungen -gewickelt, so daß, wenn die Abgase durch die Rohranordnung nach außen strömen, die von ihnen durchströmte Strömungsfläche in dem Maße, wie sie sich abkühlen und in ihrem Volumen' verringern, kleiner wird, was im Hinblick auf die Beibehaltung hoher Gasgeschwindigkeiten und einer hohen Wärmeübertragung an die äußeren Windungen erwünscht ist. Eine solche Konstruktion hat auch den Vorteil, daß die Außenfläche der Rohranordnung eine allgemein zylindrische Form erhält.Preferably the successive queues are the Pipe assembly wrapped inside out with fewer turns each, so that when the exhaust gases pass through the pipe assembly flow outside, the flow area through which they flow to the extent that they cool down and decrease in volume, becomes smaller, with a view to maintaining high gas velocities and high heat transfer to the outside Turns is desired. Such a construction also has the advantage that the outer surface of the tube assembly is generally cylindrical Shape.

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Nachstehend wird eine bevorzugte AusfUhrungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:The following is a preferred embodiment of the invention explained in detail on the basis of the drawing. Show it:

Figur 1 eine Unteransicht einer Heizvorrichtung mit erfindungs gemäßem Wärmeaustauscher;Figure 1 is a bottom view of a heating device with fiction according to heat exchanger;

Figur 2 eine umgekehrte, teilweise weggebrochene Querschnitbsdarstellung in der Schnittebene 2-2 in Figur IjFIG. 2 is an inverted, partially broken away cross-sectional illustration in the section plane 2-2 in Figure Ij

Figur 3Λ, 3 B und 3C vergleichende schematische Darstellungen, die den Ilippenkontakt, den offenen Zwischenraum und die Gasströmung für einerseits zylindrisch gewundene Schlangen aus geripptem Rohr in zwei verschiedenen Anordnungen nach Figur 3A und B und andererseits erfindungsgemäß konisch gewundene und dicht gepackte Rohrschlangen nach Figur 3C veranschaulichen; undFigure 3Λ, 3 B and 3C comparative schematic representations, the lip contact, the open space and the gas flow for on the one hand cylindrically wound coils made of ribbed Tube in two different arrangements according to Figure 3A and B and on the other hand according to the invention illustrate conically wound and tightly packed coils of Figure 3C; and

Figur 4 eine Ouerschnittsdarstellung in der Schnittebene 4-4 in Figur 2, gesehen in Richtung der Pfeile.FIG. 4 shows a cross-sectional view in the cutting plane 4-4 in Figure 2, seen in the direction of the arrows.

Die in der Zeichnung gezeigte Heiz-oder Verbrennungsvorrichtung hat eine Brennkammer 19 innerhalb einer allgemein zylindrischen Seitenwand 10, einer flachen Bodenplatte 12 mit Isolierauskleidung 14 und einer Deckplatte aus Isoliermaterial 16. Der Brenner l8 hat ein in einer Öffnung der Bodenplatte 12 befestigtes zylindrisches Unterteil 20, eine dem Inneren der Brennkammer ausgesetzte, mit dieser allgemein gleichachsige konische Wand 22 mit zahlreichen, im wesentlichen gleichmäßig verteilten Rundlöchern 24· Vom Unterteil 20 des Brenners 18 führt ein Kanal 26 zur Druckseite eines GeüLäses 28. Eine in den Kanal 26 zwischen dem Gebläse und dem Brenner mündende Düse 30 ist mit einer Quelle (nicht gezeigt) flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs verbunden. (Bei Flüssigbrennstoff wird die Flüssigkeit durch den erhitzten Luftstrom verdampft.) Eine im Boden der Brennkammer bei der Wand 22 angeordnete Zündkerze 32 sorgt für die anfängliche Zündung der durch die Löcher 24 des Brenners austretenden Brennstoffströme.The heating or combustion device shown in the drawing has a combustion chamber 19 within a generally cylindrical side wall 10, a flat bottom plate 12 with an insulating liner 14 and a cover plate made of insulating material 16. The burner 18 has a fixed in an opening of the base plate 12 cylindrical lower part 20, a conical wall 22 which is exposed to the interior of the combustion chamber and is generally coaxial therewith numerous, essentially evenly distributed round holes 24 · From the lower part 20 of the burner 18 a channel 26 leads to the pressure side a nozzle 28. A nozzle 30 opening into the duct 26 between the fan and the burner is connected to a source (not shown) liquid or gaseous fuel connected. (With liquid fuel, the heated airflow causes the liquid vaporizes.) A spark plug 32 arranged in the bottom of the combustion chamber at the wall 22 ensures the initial ignition of the flows of fuel exiting through holes 24 of the burner.

Die Brennkammer 19 unddie Wand 22 des Brenners sind von einem Wärmeaustauscher 34 in Form einer Anordnung von Rohrschlangen 36 mit Rippen 38 umgeben, wobei die Rohrschlangen kegelstumpfförmig um die Achse der Brennkammer und des P.renners 18 gewunden sind.The combustion chamber 19 and the wall 22 of the burner are of one Heat exchanger 34 in the form of an arrangement of pipe coils 36 with ribs 38 surrounded, the pipe coils being frustoconical around the axis of the combustion chamber and the burner 18 are wound.

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Vier solche Rohrschlangen 40, 42, 44 und 46 (von innen nach
außen) sind gezeigt. Die konischen Rohrschlangen und die konische Wand 22 des Brenners haben im wesentlichen die gleiche Erzeugende mit einem eingeschlossenen Winkel von mindestens ungefähr 50 ,
Four such coils 40, 42, 44 and 46 (from inside to
outside) are shown. The conical coils and the conical wall 22 of the torch have essentially the same generatrix with an included angle of at least about 50,

vorzugsweise ungefähr 60 , wie gezeigt. Die Windungen der
schlangen 42, 44 und 46 sind im wesentlichen jeweils zwischen
den beiden Nachbarwindungen der vorausgehenden Rohrschlange auf
einer zur Erzeugenden senkrechten Linie, die der Richtung der
Gasströmung entspricht, zentriert. Die Rohrschlangen sind dicht
gepackt, so daß die zylindrischen Hüllkurven, welche die Rippen
auf jedem Rohrschlangenpaar umschreiben, die entsprechenden Hüllkurven der Rippen zweier Windungen der selben Rohrschlange und
zweier Windungen der anderen Rohrschlange des Paares tatsächlich
oder annähernd berühren. So sind in Figur 2 die Rippen auf den
inneren Windungen der Rohrschlangen 42 und 44 i-n tatsächlicher
oder annähernder Berührung mit Rippen auf jeder der sie unmittelbar umgebenden sechs Windungen der Rohrschlangen 40, 42 und 44
bzw. 42, 44 und 46.
preferably about 60 as shown. The turns of the
serpentines 42, 44 and 46 are substantially each between
the two neighboring turns of the preceding pipe coil
a line perpendicular to the generating line following the direction of the
Corresponds to gas flow, centered. The pipe coils are tight
packed so that the cylindrical envelopes that form the ribs
on each pair of coils, rewrite the corresponding envelopes of the ribs of two turns of the same coil and
two turns of the other coil of the pair actually
or almost touch. So in Figure 2, the ribs are on the
inner turns of the coils 42 and 44 i- n actual
or approximate contact with ribs on each of the six turns of the coils 40, 42 and 44 immediately surrounding them
or 42, 44 and 46.

Vorzugsweise hat, wie gezeigt, jede der Rohrschlangen 42, 44 und 46 weniger Windungen als die jeweils in der Strömungsrichtung vorausgehende Rohrschlange. Diese Anordnung ergibt nicht nur eine wünschenswerte Verringerung der Strömungsfläche für die nach
außen strömenden und sich im Volumen zusammenziehenden heißen Abgase, sondern die Verringerung von zwei Windungen pro Rohrschlange, wie gezeigt, macht es außerdem möglich, daß die Rohrschlangen anordnung über einen erheblichen Teil ihrer Länge mit allgemein
zylindrischer Außenform und mit im wesentlichen flacher Oberseite ausgebildet werden kann, was im Hinblick auf eine dichte Einpackung der Anordnung in eine zylindrische Kammer vorteilhaft ist. Der
geneigte oder abgeschrägte Außenteil der Rohrschlangenanordnung
ist von einer Abgassammelleitung oder einem Auspuffsammler 48 umgeben, der an seinemäußeren Ende in einen geeigneten Auspuffkanal (nicht gezeigt) mündet. · ^
Preferably, as shown, each of the coils 42, 44 and 46 has fewer turns than the respective preceding coil in the direction of flow. This arrangement not only results in a desirable reduction in flow area for the after
outside flowing and volume-contracting hot exhaust gases, but the reduction of two turns per coil, as shown, also makes it possible that the coil assembly over a significant portion of its length with general
cylindrical outer shape and can be formed with a substantially flat top, which is advantageous in terms of a tight packing of the arrangement in a cylindrical chamber. Of the
inclined or beveled outer part of the pipe coil arrangement
is surrounded by an exhaust manifold or an exhaust manifold 48 which opens at its outer end into a suitable exhaust duct (not shown). · ^

Das aufzuheizende oder zu erhitzende Medium, gewöhnlich Wasser, wird durch ein Einlaßrohr 50 in die unterste Windung der
Rohrschlange 46 eingespeist, strömt durch die Rohrschlange 46 in
The medium to be heated or heated, usually water, is through an inlet pipe 50 in the lowermost turn of the
Coil 46, flows through coil 46 in

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deren oberste Windung, von dort durch einen l80 -Rohrkrümmer 52 in die oberste Windung der Rohrschlange 44» durch diese Rohrschlange zu einem 180 -Rohrkrümmer 54, der die unterste Windung dieser Rohrschlange mit der untersten Windung der Rohrschlange verbindet, von dort durch die Rohrschlange 40 und einen l80 Rohrkrümmer 56, der die oberste Windung dieser Rohrschlange mit der der Rohrschlange 42 verbindet, dann durch die Rohrschlange zum Auslaßrohr 58, wo es als Flüssigkeit, Dampf oder Gas austritt. Diese Strömungsführung, bei welcher das Speisemedium aus der zur Heißgasquelle zweitinnersten Rohrschlange austritt, hat sich als vorteilhaft gegenüber der herkömmlichen Strömungsführung, wo das Speisemedium aus der innersten Rohrschlange austritt, erwiesen.its uppermost turn, from there through an 180 pipe elbow 52 in the uppermost turn of the pipe coil 44 »through this pipe coil to a 180 pipe bend 54, which is the bottom turn this pipe coil connects with the lowest turn of the pipe coil, from there through the pipe coil 40 and a 180 pipe bend 56, which is the top turn of this pipe coil with connecting coil 42, then through the coil to outlet tube 58 where it exits as a liquid, vapor or gas. This flow guidance, in which the feed medium from the for Hot gas source exiting the second innermost pipe coil has proven to be advantageous compared to conventional flow guidance, where the The feed medium emerges from the innermost pipe coil.

Die kompakte kegelstumpfförmige Rohrschlangenanordnung kann auf einfache Weise außer Berührung mit den umgebenden Wänden gehalten werden. So kann, wie gezeigt, die unterste Windung der innersten Rohrschlange auf gekerbten Haltern 60 auf dem Boden der Brennkammer sitzen und auf diesen Haltern durch Klammern 62 festgehalten «ein, die ein schräges oberes Ende mit einem Haken, der über die oberste Windung greift, und einen vertikalen Schaft mit einem Gewindeende haben, das eine Öffnung in der Isolierverkleidung 14 und der Bodenplatte 12 durchsetzt und mittels einer Mutter 64 befestigt ist. Wegen der konischen Form der Rohrschlangenanordnung und der dichten Packung oder Bündelung sämtlicher benachbarten Rohrschlangen reicht die durch diese einfachen Klammern ausgeübte Kraft aus, die Rohrschlangen der Anordnung fest zusammen und aus den Haltern 60 zu halten.The compact frustoconical tube coil arrangement can be kept out of contact with the surrounding walls in a simple manner. So, as shown, the lowest turn of the innermost Coiled tubes sit on notched holders 60 on the floor of the combustion chamber and are held on these holders by clips 62 «One that has a sloping upper end with a hook that grips over the uppermost turn and a vertical shaft have a threaded end that has an opening in the insulation panel 14 and the base plate 12 is penetrated and fastened by means of a nut 64. Because of the conical shape of the coil arrangement and the tight packing or bundling of all adjacent coils is sufficient for that exerted by these simple clamps Force to hold the coils of the assembly firmly together and out of the holders 60.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Rohrschlangenanordnung werden u.a. bei einem Vergleich der Figuren 3A und 3B mit Figur 3C deutlich. Figur 3A und 3B zeigen drei aufeinanderfolgende gerippte Rohrschlangen, die zylindrisch um die selbe Achse gewunden, getrennt geformt und dann auf zwei verschiedene mögliche Weisen zusammengebaut sind. Um solche Rohrschlangen zusammenbauen zu können, muß man die einzelnen aufeinanderfolgenden Rohrschlangen von innen nach außen auf einen Innendurchmesser (Rippendurchmesser) winden oder wendeln, der um mindestens einen vollen Rohr-plus-Rippen-Durchmesser größer ist als der Rippeninnendurchmesser, aufThe advantages of the pipe coil arrangement according to the invention are inter alia when comparing Figures 3A and 3B with Figure 3C clear. Figures 3A and 3B show three successive ribs Coiled tubes which are cylindrically wound around the same axis, formed separately and then assembled in two different possible ways are. In order to assemble such pipe coils, you have to separate the successive pipe coils from Winding or coiling inside out to an inside diameter (rib diameter) that is at least one full tube plus rib diameter is larger than the inner diameter of the ribs

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den die vorausgehende Rohrschlange gewendelt ist, da andernfalls die Rohrschlangen nicht übereinander zusammengebaut werden könnten.that the preceding pipe coil is coiled, as otherwise the pipe coils could not be assembled on top of one another.

In Figur 3A sind die Rohrschlangen so zusammengefügt, daß die Mittelpunkte c der einander entsprechenden Windungen auf der gleichen zur Erzeugenden senkrechten Linie 1 liegen. Bei dieser Anordnung können die Rippen jeder Rohrschlange höchstens mit den Rippen der beiden Nachbarwindungen der" selben Rohrschlange in Berührung und mit den Rippen einer Windung einer Rohrschlange zu beiden Seiten in annähernder Berührung sein, da für das Zusammenfügen ein gewisser Spielraum zwischen den Rippen aufeinanderfolgen der Rohrschlangen nötig ist. In Figur 3B sind die Rohrschlangen so zusammengefügt, daß die einander entsprechenden Windungen gegenein ander versetzt sind, so daß die Mittelpunkte der einander entsprechenden Windungen auf verschiedenen zur' Erzeugenden senkrechten Linien 1 .jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der benachbarten Rohrschlange oder -schlangen liegen. Bei dieser Anord nung können die Rippen jeder Rohrschlange höchstens die Rippen der beiden Nachbarwindungen der selben Rohrschlange berühren.In Figure 3A, the coils are assembled so that the centers c of the corresponding turns on the line 1 perpendicular to the generating line. With this arrangement, the ribs of each coil can at most with the Ribs of the two neighboring turns of the "same coil in contact and be in approximate contact with the ribs of a turn of a coiled pipe on both sides, as for the joining together a certain amount of space between the ribs the pipe coils is necessary. In Figure 3B, the coils are assembled so that the corresponding turns opposite one another are offset on the other, so that the centers of the corresponding turns on different ones perpendicular to the generating line Lines 1. Each lie between successive turns of the adjacent pipe coil or coils. With this arrangement tion, the ribs of each coil can at most touch the ribs of the two neighboring turns of the same coil.

In Figur 3C, die eine dicht gepackte konische Anordnung dreier Rohrschlangen gemäß vorliegender Erfindung zeiget, sind die Rohrschlangen so versetzt oder gestaffelt angeordnet; daß die Mittelpunkte der einander entsprechenden Windungen auf verschiedenen zur Erzeugenden senkrechten Linien 1 zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der benachbarten Rohrschlange oder -schlangen wie in Figur 3B liegen. Jedoch können wegen der konischen Form die aufeinanderfolgenden Rohrschlangen von innen nach außen getrennt auf einen inneren Rippendurchmesser gewunden oder gewendelt werden, der um weniger als einen vollen Rohr-plus-Rippen-Durchmesser größer ist als der innere Rippendurchmesser der Wendelung der jeweils vorausgehenden Rohrschlange. Die Rohrschlangen können vorgewendelt und dann so zusammengefügt werden, daß die Windungen jeder Rohrschlange zwischen einem Windungspaar der benachbarten Rohrschlange oder -schlangen in gegenseitiger Rippenberührung sitzen, da die jeweils niedrigere Windung einer Rohrschlange einen größeren Abstand von der Konusachse hat als die nächsthöhere Windung. So sind in Figur 3C die inneren Windungen der mittleren RohrschlangeIn Figure 3C showing a tightly packed conical arrangement of three The coiled tubing according to the present invention is shown by the coiled tubing so staggered or staggered; that the centers of the corresponding turns on different to Generating vertical lines 1 between consecutive Turns of the adjacent pipe coil or coils lie as in Figure 3B. However, because of the conical shape, the consecutive Coiled tubes are wound or coiled separately from the inside to the outside to an inner rib diameter, which is less than a full tube-plus-rib diameter greater than the inner rib diameter of the coil of the respective preceding pipe coil. The coils can be pre-coiled and then joined together so that the coils each Coiled pipe sit between a pair of turns of the adjacent pipe coil or coils in mutual rib contact, because the lower turn of a coil has a greater distance from the cone axis than the next higher turn. So are the inner turns of the central coil in Figure 3C

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in Rippenberührung: mit allen sechs unmittelbar umgebenden Windungen der drei Rohrschlangen.in contact with the ribs: with all six immediately surrounding turns of the three pipe coils.

Der Gasströmungsverlauf ist durch Pfeile In den drei Figuren angedeutet. In Figur 3A verläuft die Strömung im wesentlichen geradlinig zwischen den Rippen der einzelnen Paare von miteinander fluchtenden Windungen. Die Strömung über die Vorder- oder Rückseite der Rohre und Rippen ist sehr gering. In Figur 3B werden zwar die Rückseiten überströmt, jedoch verläuft die Strömung hauptsächlich durch die Spalte zwischen den Rippen der aufeinanderfolgenden Rohrschlangen. In Figur 3C wird durch das innige Aneinanderschmiegen der Rippen der Windungen der aufeinanderfolgenden Rohrschlangen das Gas gezwungen, sehr viel dichter|um die Rohre zwischen den Rippen auf der Rückseite der Windungen zu strömen,so daß sich folglich eine weit bessere Heizwirkung ergibt.The gas flow path is indicated by arrows in the three figures indicated. In Figure 3A the flow is essentially straight between the ribs of each pair of aligned turns. The flow over the front or back the tubes and fins is very low. In FIG. 3B, the rear sides are flowed over, but the flow runs mainly through the gaps between the ribs of the successive coils. In Figure 3C is the intimate nestling the ribs of the coils of successive pipe coils forced the gas to be much tighter | around the pipes to flow between the ribs on the back of the turns, so that consequently there is a much better heating effect.

Der konzentrisch angeordnete konische Flammenhalter sorgt für eine im großen und ganzen einheitliche Gasverweilzeit, da die Strömungsweglänge zwischen ihm und der inneren Rohrschlange des Wärmeaustauschers annähernd einheitlich ist. Die konische Form bewirkt auch eine gute Gasverteilung im · I1 tiinenhalter, da die Gasgeschwindigkeit aufgrund der axialen Strömung im Konus gleichmäßiger bleibt als bei einem zylindrischen Brenner, wo die Gasgeschwindigkeit längs des Brenners abnimmt. Es wurde gefunden, daß Löcher oder Durchbrechungen mit einem Durchmesser von 0,064 bis 0,l('5 cm (0,02 5 bis 0,065 Zoll) in einer Dichte, daß ungefähr 10 bis 25 " der Plattenfläche durchbrochen sind, einen Flammenhalter ergeben, der in wünschenswerter Weise unanfällig gegen Zurücksdiagen und Ausblasen oder Löschen der Flamme ist und über einen weiten Bereich von unterschiedlichen Brennstoffgeschwindigkeiten arbeiten kann.The concentrically arranged conical flame holder ensures a largely uniform gas residence time, since the flow path length between it and the inner tube coil of the heat exchanger is approximately uniform. The conical shape also results in a good gas distribution in · I 1 tiinenhalter, since the gas velocity due to the axial flow in the cone remains more uniform than in a cylindrical burner where the gas velocity decreases along the burner. It has been found that holes or perforations 0.064 to 0.1 (1.5 cm (0.025 to 0.065 inches) in diameter at a density such that approximately 10 to 25 "of the plate surface are perforated provide a flame holder which is desirably immune to back-diagging and purging or extinguishing of the flame and capable of operating over a wide range of different fuel velocities.

Der Abstand des Flammenhalters von der inneren Rohrschlange des Wärmeaustauschers beeinflußt die Leistung der Anlage, besonders hinsichtlich der Menge und Art der abgegebenen Verunreinigungen, und sollte auf die Kapazität (Wärmeabgabevermögen) des Wärmeaustauschers abgestimmt sein. Es wurde gefunden, daß sich dieser Abstand für die bevorzugte Ausführunpsform des WärmeaustauschersThe distance between the flame holder and the inner coil of the heat exchanger affects the performance of the system in particular with regard to the amount and type of impurities given off, and should depend on the capacity (heat dissipation capacity) of the heat exchanger be coordinated. It has been found that this distance works out for the preferred embodiment of the heat exchanger

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und Flammenhalters mit 60°-Konus an Hand der folgenden Formel ermitteln läßt:and flame holder with 60 ° cone using the following formula leaves:

1/31/3

L = CL = C

(0,866 D/L -1Γ + 1/3(0.866 D / L -1Γ + 1/3

worin L der Abstand (in Einheiten von 0,3048 m Fuß) zwischen dem Brennerkonus und der innerhalb der inneren Rohrschlange des Wärmeaustauschers eingeschriebenen konischen Fläche, C. gleich oder zwischen 0,0036 und 0,0072, D der Basisdurchmesser (in Einheiten von 0,3048 m) der eingeschriebenen konischen Fläche und Q die Wärmeabgabegeschwindigkeit des Brenners in British Thermal Units pro Stunde bedeuten. Der für C1 im gegebenen Bereich gewählte Wert beeinflußt die Menge und Art der auegetragenen Verunreinigungen oder Verschmutzungen. Niedrige Werte begünstigen eine Verringerung der Stickstoffoxyde, die sich als Funktion des Verweilens des Heiß gases vor dem Abkühlen bilden, während hohe Werte die Verringerung von Kohlenmonoxyd und unverbranntem Brennstoff befünstigen, die als Funktion dieser Verweilung verbrennen.where L is the distance (in units of 0.3048 m - feet) between the burner cone and the conical surface inscribed within the inner coil of the heat exchanger, C. equal to or between 0.0036 and 0.0072, D is the base diameter (in units of 0.3048 m) of the inscribed conical area and Q is the heat emission rate of the burner in British thermal units per hour. The value chosen for C 1 in the given range influences the amount and type of impurities or soiling applied. Low values favor a reduction in the oxides of nitrogen that form as a function of the hot gas residence prior to cooling, while high values favor the reduction of carbon monoxide and unburned fuel that burn as a function of this residence.

Während das bei der bevorzugten Ausführungsform verwendete spiralig gewundene, bandförmige Rippenmaterial im Hinblick auf verhältnismäßig einfache Herstellung vorteilhaft ist, kann man auch anderweitige Anordnungen verwenden, beispielsweise gezahnte oder in Segmente geteilte Rippen, die in Ebenen allgemein senkrecht, parallel oder schräg zu den Achsen der Rohre liegen, oder einfach Stifte, die in gleichen Abständen über den Umfang und in Axialrichtung der Rohre verteilt sind. Als Metall für das gerippte Rohr und den Brennerkonus verwendet man ein solches, das unter den gegebenen Wärmeverhältnissen beständig ist und, soweit das Rohr-, 'material betroffen ist, gute Wärmeübertragungseigenschaften hat5 a%a Werkstoff für beide kommt beispielsweise korrosionsbeständiger Stahl in Frage.While the spirally wound, band-shaped fin material used in the preferred embodiment is advantageous in terms of relatively simple manufacture, other arrangements can also be used, for example toothed or segmented fins, which are in planes generally perpendicular, parallel or oblique to the axes of the tubes lie, or simply pins that are evenly spaced around the circumference and in the axial direction of the tubes. The metal used for the ribbed tube and the burner cone is one that is stable under the given heat conditions and, as far as the tube material is concerned, has good heat transfer properties5 a% a material for both, for example, corrosion-resistant steel is possible.

Vorstehend ist somit ein Wärmeaustauscher beschrieben,, der eine Anordnung von aufeinanderfolgenden Schlangen aus geripptem Rohr für das zu erhitzende Medium aufweist, deren jede zur Segelstumpfform gewendelt ist und dia dicht gewunden und zusammenge-A heat exchanger is thus described above, the an arrangement of successive coils of ribbed tube for the medium to be heated, each of which has the shape of a sail is coiled and the dia is tightly wound and

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packt sind, so daß die Rippen der Windungen jedes Rohrschlangenpaares in mindestens annähernder Berührung mit Rippen zweier Windungen der selben Rohrschlange und zweier Windu—ngen der anderen Rohrschlange des Paares sind. Eine Heizvorrichtung mit einem solchen Wärmeaustauscher hat einen Brenner mit einesr entsprechend konischen, gleichachsig innerhalb des Wärmeaustauschers angeordneten Wand, die eine Vielzahl von kleinen Löchern aufweist, durch die Flammen gezündeten Brennstoffs gegen die Rohrschlangenanordnung gerichtet werden.so that the ribs of the turns of each coil pair are in at least approximate contact with the ribs of two turns of the same coil and two turns of the other coil of the pair. A heating device with such a heat exchanger has a burner with a correspondingly conical wall which is arranged equiaxially within the heat exchanger and which has a plurality of small holes through which flames of ignited fuel are directed towards the tube coil arrangement.

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Claims (11)

PatentansprücheClaims .,] Wärmeaustauscher zum Übertragen der Wärme von heißen Verbrennungsgasen auf das zu erhitzende Medium, gekennzeichnet durch eine Anordnung von mehreren aufeinanderfolgenden Schlangen (40, 42, 44, 46) von geripptem Rohr mit Spiralwindung in zunehmend größeren Abständen von einer gemeinsamen Achse, welche die Achse eines Kegels, dessen Erzeugende einen eingeschlossenen Winkel von mindestens ungefähr 50 hat, ist, wobei die Rohrwindungen Jeder Schlange jeweils zwischen Windungen einer benachbarten Schlange auf einer zu der Erzeugenden senkrechten Linie zentriert und die Schlangen dicht gewunden und zusammengepackt sind, derart, daß die Rippen (38) der Windungen jedes Schlangenpaares mindestens annähernd in Berührung mit den Rippen zweier Windungen der selben Schlange und zweier Windungen der anderen Schlange des Paares sind, und wobei die Schlangen so verbunden sind, daß ein Speisemedium durch das Rohr (36) der Schlangen von einem Einlaß in einer ersten Schlange zu einem Auslaß in einer zweiten ,Schlange geleitet wird und eine poröse Sperre für den seitlichen Durchtritt von Heißgasen gebildet wird, derart, daß das Speisemedium durch Überströmen der Rippen und des Rohres durch das Heißgas erhitzt wird..,] Heat exchangers for transferring heat from hot combustion gases on the medium to be heated, characterized by an arrangement of several consecutive Snakes (40, 42, 44, 46) of ribbed pipe with spiral winding at increasingly greater distances from a common one Axis which is the axis of a cone, the generatrix of which has an included angle of at least approximately 50, is, the pipe turns of each serpentine between turns of an adjacent serpentine on one to the generatrix centered vertical line and the serpentines are tightly wound and packed together so that the ribs (38) of the coils each pair of snakes at least approximately in contact with the ribs of two coils of the same snake and two coils of the other serpentine of the pair, and wherein the serpentines are connected so that a feed medium is passed through the tube (36) of the Queues routed from one inlet in a first queue to an outlet in a second, serpentine, and a porous barrier for the lateral passage of hot gases is formed in such a way that the feed medium flows over the ribs and the tube is heated by the hot gas. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schlange der ersten ■ Schlange in der Richtung der Gasströmung vorausgeht.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that that the second line precedes the first line in the direction of the gas flow. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Rohrschlangen mindestens drei Schlangen aufweist.3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the arrangement of the pipe coils has at least three coils. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r ch gekennzeichnet , daß der eingeschlossene Winkel der Erzeugenden ungefähr 60° beträgt.4. Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, d a d u r ch characterized in that the included angle of Generating is approximately 60 °. 5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die 5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least the 309819/0836309819/0836 ? ? R ? U 9 3? ? R ? U 9 3 äußerste Schlange in Richtung der Gasströmung iveriper Windungen
hat als die vorausgehenden Schlangen.
outermost snake in the direction of the gas flow iveriper turns
has than the preceding snakes.
6. V/ärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß .jede Schlange jeweils weniger Windungen hat als die in Richtung der Gasströmung
vorausgehende Schlange.
6. V / heat exchanger according to one of claims 1 to 5 »characterized in that. Each snake has fewer turns than that in the direction of the gas flow
preceding snake.
7. Wärmeaustauscher nach Ansoruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß ,jede Schlange um zwei Windungen
weniger hat als die jeweils vorausgehende Schlange.
7. Heat exchanger according to Ansoruch 6, characterized in that, each coil around two turns
has less than the previous line.
8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer
Heizvorrichtung mit einer in der,Rohrschlangenanordnung angeordneten Einrichtung, welche Flammen von gezündetem Brennstoff gegen die innere Schlange im wesentlichen gleichmäßig um die Achse der
Anordnung herum richtet.
8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized by the use in one
A heating device comprising a device arranged in the coiled pipe arrangement which flames of ignited fuel against the inner coil substantially uniformly around the axis of the
Alignment around.
9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Einrichtung einen
Flammenhalter (18) mit einer allgemein konischen Wand (22) enthält, deren Erzeugende einen eingeschlossenen Winkel h*t, der im wesentlichen gleich dem der Schlangen der Rohranordnung ist, wobei dieser Flammenhalter im wesentlichen gleichachsig innerhalb der Rohranordnung angeordnet und mit einer Vielzahl von kleinen, im wesent liehen gleichmäßig beabstandeten Löchern versehen ist, durch welche ein brennstoff-Luft-Gemisch zwecks Erzeugung der Flammen ausblasbar ist.
9. Heat exchanger according to claim 8, characterized in that said device has a
Flame holder (18) having a generally conical wall (22), the generatrix of which has an included angle h * t substantially equal to that of the serpentines of the tube assembly, this flame holder being disposed substantially coaxially within the tube assembly and having a plurality of small ones , is provided in wesent borrowed evenly spaced holes through which a fuel-air mixture can be blown out for the purpose of generating the flames.
10. Wärmeaustauscher nach Anspruch °, dadurch gekennzeichnet . daß die konische Wand (22) eine Platte ist und daß die Löcher (24) Rundlöcher sind und einen Durchmesser von ungefähr 0,064 bis 0,165 cm (0,025 bis 0,065 Toll) haben.10. Heat exchanger according to claim °, characterized. that the conical wall (22) is a plate and that the holes (24) are round holes and have a diameter of about 0.064 to 0.165 cm (0.025 to 0.065 inches). 11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die löcher ungefähr 10 bis 'r 11. Heat exchanger according to claim 10, characterized in that the holes are approximately 10 to ' r der Fläche der Wand (22) einnehmen.occupy the surface of the wall (22). 309819/0836309819/0836 Λ3 . Λ3 . LeerseiteBlank page
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