DE3145229C2

DE3145229C2 - Abgaswärmetauscher

Info

Publication number: DE3145229C2
Application number: DE3145229A
Authority: DE
Inventors: Tatuo Kawasaki Kanagawa Asada; Masao Yono Saitama Kurihara; Takashi Matsudo Chiba Nakamoto; Tstomu Tokio/Tokyo Nakamura; Mitsuo Oshiro; Shigetoshi Tokio/Tokyo Takasu; Kozo Kodaira Tokio/Tokyo Taneda
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd; Suzuki Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd; Suzuki Metal Industry Co Ltd
Priority date: 1980-11-17
Filing date: 1981-11-13
Publication date: 1985-07-04
Also published as: GB2088595A; FR2494424B1; SE443227B; JPS6047519B2; CA1182699A; SE8106382L; GB2088595B; DE3145229A1; JPS5784994A; US4407353A; FR2494424A1

Abstract

Bei einem Boiler oder einem Industrieofen wird ein Temperaturmeßsensor (15) an der wärmeabsorbierenden Seite eines Heizrohres (5) einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung (1) angebracht, die in einem Abschnitt der Abgasabführung angeordnet ist. Mit dem Ausgangssignal des Temperaturmeßsensors (15) wird ein Mengenstromsteuerventil (14) gesteuert. Eine Flüssigkeitsabführabschirmung (18) wird dazu verwendet, den Mengenstrom der zuzuführenden Flüssigkeit entsprechend dem Mengenstrom der abzuführenden Flüssigkeit zu halten. Die wirksame Fläche der Heizrohre (5), die mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, wird geändert, um die Temperatur an der wärmeabsorbierenden Seite höher als den Taupunkt des Schwefeloxyds zu halten. Dadurch wird eine Korrosion der Heizrohre (5) und der Abgasabführleitungen (7) usw. verhindert. Außerdem kann der Wärmeabsorptionsvorgang entsprechend der Abgasführtemperatur ausgeführt werden.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem solchen, aus dem ]P-GM 55/18 641 bekannten Abgaswärmetauscher ist zwischen einem Rauchgase führenden Abgaskanal und einem daneben geführten Heizkanal für Wasser ein Wärmerohr angeordnet, das iich abdichtend durch die benachbarten Rohrwände der beiden Kanäle erstreckt und innerhalb der Kanäle mit Rippen versehen ist. Da Rauchgase in erheblichem Maße Schwefeloxide mit sich führen, muß, um ein Kondensieren an dem Wärmerohr im Rauchgas führenden Abgaskanal zu vermeiden, eine Rauchgastemperatur aufrechterhalten werden, die höher als der Taupunkt der entsprechenden Schwefeloxide ist. Da sich jedoch an dem in dem Heizkanal für Wasser befindlichen Ab· schnitt des Wärmerohrs unterschiedliche Wärmeabgaben bei sich ändernden Boilcrbclaslungen einstellen können, kann es zum Auftreten von Oberflächentemperaturen an dem in dem Abgaskanal befindlichen Abschnitt des Wärmerohres kommen, bei denen der Taupunkt des entsprechenden Schwefeloxids unterschritten wird, so daß Schwefeloxide auf dem Wärmerohr und an den angrenzenden Wandabschnitten des Abfaskanals kondensieren und sehr schnell zu einer starken Korrosion führen.

Bei einer Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten ist es außerdem bekannt. Form und Größe von Flüssigkeitsaustrittsöffnungen so zu wählen, daß der durch sie hindurchgehende Flüssigkeitsmengenstrom proportional zu dem Flüssigkeitspegel der Vorrichtung ist (US-PS 10 77 316, Fig. 1 und 8).

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, den Abgaswärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Oberflächentemperatur des Wärmerohrs im Wärmeaufnahmeteil unabhängig von der Belastuig des Boilers auf einem Wert gehalten wird, der immer über dem Taupunkt eines Schwefeloxids SO_x liegt Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, die in den Unteransprüchen 2 und 3 weiter vorteilhaft ausgestaltet sind.

Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher hat den Vorteil, daß auch bei sich ändernden Boilerbeiastungen gewährleistet ist, daß der Schwefeloxidtaupunkt im Wärmeaufnahmeteil des Abgaswärmetauschers nicht erreicht wird, wodurch eine Kondensation von Schwefeloxid und somit eine Korrosion des Wärmerohrs mit Sicherheit vermieden wird. Der Abgaswärmetauscher sorgt außerdem dafür, daß die Wärm<;absorption abhängig von der Abgastemperatur erfolgt, so daß eine Kondensation von Schwefeloxid an der Innenwand des Wärmeaufnahmeteils und dem Abgaskamin und somit die daraus resultierende Korrosion verhindert werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in einem Diagramm die Abhängigkeit verschiedener Temperaturen von der Boilerbelastung bei dem bekannten Abgaswärmetauscher,

F i g. 2 schematisch ein Wasserheizgerät mit einem Abgaswärmetauscher nach der Erfindung,

Fig. 3 perspektivisch und sciierr.atisch eine Ausführungsform des Abgaswärmetauscher.

Fig. 4 in einem Diagramm die Abhängigkeit verschiedener Temperaturen von der ßoilcrbelastung bei Einsat/ des Abgaswärmetauschers in einem Wasserheizgerät und

F i g. 5 drei Ausführungsformen einer im Abgaswärmetauscher verwendeten Abschirmplatte.

Wenn bei dem bekannten Abgaswärmetauscher nach dem JP-GM 55/18 641 sich die Boilerbelastung ändert, folgen die in F i g. 1 dargestellten Temperaturen dem angegebenen Verlauf und unterschreiten dabei teilweise den Schwefeloxidtaupunkt La bei ist Tgidie Temperatur des Abgases an der Eintrittsöffnung eines Abgaskanals, Tgo die Temperatur des Abgases an der Austrittsöffnung des Abgaskanals. Two die Temperatur des Wassers an der Auslaßöffnung eines Heizkanals und 7iw die Temperatur des Wassers an der Einlaßöffnung des Heizkanals. Mit dem Absinken der Temperaturen Tgi und Tgo des Abgases wird die mittlere Oberflächentemperatur Tm des Wärmerohrs an dem im Rauchgas führenden Abgaskanal befindlichen Abschnitt verringert. Bei Unterschreitung des Schwefeluxidtaupunkts kondensiert Schwefeloxid auf der Oberfläche des Wärmerohrs und führt zur Korrosion. Da aufgrund der Wärmeabgabe durch das Wärmerohr in den Wasser führenden Heizkanal die Temperatur des Abgases ebenfalls die Taupunktstemperatur des Schwefeloxids unterschreiten kann, findet auch eine Korrosion an der Kanalinnenwand und am Kamin statt.

Bei Einsatz eines Abgaswärmetauschers 1 in dem in

F i g. 2 gezeigten Wasserheizgerät wird eine solche Taupunk tsunterschreitung vermieden. Der Abgaswärmetauscher 1 hat einen Wärmeaufnahmeteil 2 und einen Heizabschnitt 3, die durch eine Trennwand 4 aus einem gegen Korrosion widerstandsfähigen Metall, wie rostfreiem Stahl, getrennt sind. An der Trennwand 4 ist eine Anzahl von Wärmerohren 5 befestigt, deren eines Ende in dem Wärmeaufnahmeteil 2 angeordnet ist und dort Abgaswärme aufnimmt und deren anderes Ende in dem Heizabschnitt 3 angeordnet ist und dort die aufgenommene Wärme an das Wasser abgibt. Der Abgaswärmetauscher 1 ist in einem Abgaskanal 7 zwischen einem Boiler 6 und einem Kamin 8 angeordnet Der Boiler 6 wird mit Hilfe einer Wasserpumpe 10 aus einem Ausgleichstank 9 gespeist Mit Hilfe einer Umwälzpumpe 11 wird aus dem Ausgleichstank 9 Wasser über ein Zulauf 12 in den Heizabschnitt 3 befördert. Aus dem Heizabschnitt 3 gelangt Wasser über einen Ablauf 13 zurück in J den Ausgleichstank 9. In dem Zulauf 12 ist ein Mengenstromsteuerventii J4 angeordnet, das mit einem Temperaturmeßsensor 15 gekoppelt ist, der an der Oberfläche des Wärmerohrs 5 an dessen wärmeaufnehmenden Ende angeordnet ist. Durch eine Hilfspumpe 17 läßt sich abhängig vom Wasserspiegel im Ausgleichstank 9 Wasser aus einem Vorratstank 16 dem Ausgleichstank 9 zuführen.

Bei dem in F i g. 3 gezeigten Abgaswärmetauscher 1 ist an der Wasserablaufseite des Heizabschnitts 3 eine Abschirmplatte 18 vorgesehen, die mit einer Anzahl von Öffnungen 19 versehen ist. die über der Höhe so angeordnet sind, daß die durch sie abfließende Wassermenge einem gegebenen Wasserspiegel der zufließenden Wassermsnge entspricht. Für die Aufnahme von Überschußwasser ist auf der Ablaufseite ein Ablaufraum 20 vorgesehen, der überschüssiges, aus den Öffnungen 19 abströmendes Wasser vorübergehend speichert In dem Heizabschnitt 3 ist im Bereich des Zulaufs 12 ein plattenförmiges Gleichrichtelement 21 angeordnet, in welchem eine Anzahl von Öffnungen ausgebildet ist, die das in den Heizabschnitt 3 strömende Wasser gleichrichtet und damit für einen gleichmäßigen Kontakt des Wassers mit den Wärmerohren 5 sorgt.

Der aus einem Widerstandselement bestehende Temperaturmeßsensor 15 ist in dem Bereich des Wärmerohrs 5 angeordnet, an dem sich seine niedrigste Überflächentemperatur einstellt. Das Ausgangssignal aus dem Temperaturmeßsensor 15 wird über einen Verstärker 22 einem Komparator 23 zugeführt und mit einem Ausgangssignal aus einer Temperaturvorgabeschaltung 24 verglichen. Das vom Komparator 23 erzeugte Differcn/signal steuert das Mengenstromsteuerventil 14. Der Abgaswärmetauscher 1 hat an seiner Oberseite einen Flansch 25 für die Aufnahme eines Deckels. Zum Befestigen des Warmer.ufnahmeieils 2 an dem Abgaskanal 7 dient ein Flansch 26.

Wenn der Boiler 6 bei Nennlast arbeitet, ist das Mengenstromsteuerventil 14 voll geöffnet. Der Heizabschmtt 3 ist vollständig mit Wasser gefüllt. Da die Abgastemperatur ausreichend hoch ist, ergibt sich bei optimalem Wärmeaustausch am Wärmerohr 5 im Bereich der niedrigsten Oberflächentemperatur eine Temperatur Tm, die über der des Taupunkts von Schwefeloxid SO, liegt.

Wenn die Boilerbelastung beispielsweise bei Nachtbetrieb auf 70% reduziert wird, sinkt die Oberflächentemperatur Tm des Wärmerohrs 5 im Wärmeaufnahmeteil 2 entsprechend der Absenkung der Temperatur des Abeases. Die TemDeratur Tm wird vom TemDeraturmeßsensor 15 in ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, das verstärkt in den Komparator 23 gelangt Die Temperaturvorgabeschaltung 24 ist entsprechend einer kritischen Temperatur eingestellt, die abhängig vom das Abgas erzeugenden Brennstoff den Taupunkt des Schwefeloxids SO_x beinhaltet der im allgemeinen zwischen 140° und 145^CC liegt. Das entsprechende, von der Temperaturvorgabeschaltung 24 dem Komparator 23 zugeführte Signal wird mit dem

ίο Ausgangssignal des Temperaturmeßsensors 15 verglichen. Wenn die Oberflächentemperatur Tm des Wärmerohrs 5 niedriger als diese vorgegebene Temperatur wird, erzeugt der Komparator 23 ein Differenzsignal, das am Mengenstromsteuerventil 14 eine Reduzierung der dem Heizabschnitt 3 zugeführten Wassermenge bewirkt, so daß sich durch Wasserabfluß durch die Öffnungen 19 der Abschirmplatte 18 ein neuer Wasserspiegel einstellt, bei dem der Zufluß gleich dem Abfluß ist Die Wärmeroh-e 5 geben also weniger Wärme an das Wasser ab, wodurch die Temperatur des ·. bgases nicht weiter abgesenkt wird und die öberfiachen'emperatur Tm des Wärmerohrs 5 über der kritischen Taupunkttemperatur gehalten wird. Die Temperatur des Abgases im Wämeaufnahmeteil 2 liegt dabei ebenfalls über dem Schv/ef loxidtaupunkt so daß eine Kondensation an der Innenfläche des Abgaskanals 7 und des Kamins 8 unterbleibt. Die entsprechenden Temperaturverläufe sind in F i g. 4 gezeigt
Wenn die Temperatur des Abgases s.eigt, steigt auch die Oberflächentemperatur Tm am Wärmerohr 5. Folglich wird, wenn der Mengenstrom des zuzuführenden Wassers durch Öffnen des Mengenstromsteuerventiis 14, gesteuert durch Temperaturmeßsensor 15, zunimmt und wenn der Meiigenstrom des abzuführenden Wassers zeitweise die Kapazität des Ablaufs 13 überschreitet, überschüssiges Wasser in dem Ablaufraum 20 gesammelt. Bei Erreichen eines Gleichgewichtswasserspiegels wird der Mengenstrom des zuzufügenden Wassers wieder der Mengenstrom des abzuführenden Wassers, wodurch der Wasserstrom im Heizabschnitt 3 konstant gehalten wird.

In Fig. 5a sind in der Abschirmplatte 18 über der Höhe die Öffnungen 19 so angeordnet, daß der Mengenstrom des abzuführenden Wassers eine lineare Beziehung zum Wasserspiegel hat. Bei der in Fig. 5b gezeigten Ausführungsform sind in der Abschirmplatte 18 als Schlitze ausgebildete öffnungen 27 vorgesehen, daß das Wasser bis zu einer Höhe ό über dem Boden des Heizabschnitts 3 gespeichert wird, so daß Wasser in Kontakt mit den Wärmerohren 5 nicht vollständig verdampft wird. In F i g. 5c ist in der Abschirmplaite 18 eine einzige Öffnung 28 mit veränderlichem Querschnitt über der Föh». vorgesehen, wobei die Breite 2b auf der Oberseite bis zu einem rechteckigen Ausschnitt mit einer Breite bo und einer Höhe a so zunimmt, daß das beschriebene

Gleichgewicht erreicht wird.

zu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abgaswärmetauscher, mit einem Wärmeaufnahmeteil, in welchem die Wärme eines Abgases aufgenommen wird und mit einem von dem Wärmeaufnahmeteil abgetrennten Heizabschnitt, in welchem Wasser für einen Boiler erhitzt wird, mit mindestens einem Wärmerohr, dessen eines Ende in dem Wärmeaufnahmeteil angeordnet ist und die Abgaswärme aufnimmt und dessen anderes Ende in dem Heizabschnitt angeordnet ist und die aufgenommene Wärme an das Wasser abgibt, wobei der Heizabschnitt einen Zulauf und einen Ablauf für das Wasser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wärme aufnehmenden Ende des Wärmerohres (5) ein Temperaturmeßsensor (15) angeordnet ist, daß der Mengenstrom des dem Heizabschnitt (3) zugeführten Wassers über ein Differenzsignal, das zwischen -?'jiem Ausgangssignal aus dem Temperaturmeßsensor (15) und einem den Taupunkt des Schwefeloxyds darstellenden, vorbestimmbaren Signal erzeugt wird, steuerbar ist, und daß in dem Heizabschnitt (3) im Bereich des Ablaufes eine öffnungen (19,27, 28) aufweisende Abschirmplatte (18) angeordnet ist und einen Ablajfraum (20) bildet, wobei die Form und die Größe der öffnungen (19, 27, 28) so gewählt sind, daß der durch sie in den Ablaufraum (20) austretende Mengenstrom proportional zum Wasserstand in dem Heizabschnitt (3) ist

2. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ir. Jem Heizabschnitt (3) im Bereich des Zulaufer ein Gleichrichtelement (21) angeordnet ist. in welchem eint Anzahl von öffnungen ausgebildet ist, die das in den Heizabschnitt (3) strömende Wasser gleichrichtet.

3. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Abschirmplatte (18) und dem Ablauf gebildete Ablaufraum (20) als Speicher /ur Aufnahme von Überschußwasscr ausgebildet ist.