DE3317490A1

DE3317490A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3317490A1
Application number: DE19833317490
Authority: DE
Inventors: Hans 8540 Schwabach Lämmermann; Hans 4000 Düsseldorf Stroh
Original assignee: INOTHERM INDUSTRIEOFEN- und WAERMETECHNIK GmbH; INOTHERM IND und WAERMETECHNIK; Inotherm Industrieofen und Waermetechnik 4050 Moenchengladbach GmbH
Current assignee: Indutec Industrietechnik & Co Kg 4050 Moench GmbH
Priority date: 1983-05-13
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1984-11-15
Also published as: DE3317490C2

Description

Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für industrielle Feuerungsanlagen, mit in einem Abgaskanal quer zur Abgasströmung gerichteten Wärmetauscherrohren, in denen ein Wärmetauschermedium, insbesondere Luft, geführt ist, wobei die Wärmetauscherrohre an den Abgaskanal begrenzende Luftkästen angeschlossen sind.
Wärmetauscher sind in verschiedenen Ausführungen bekannt.
Je nach dem konstruktiven Aufbau erfolgt die Wärmeübertragung mehr oder weniger durch Leitung, Strahlung und/oder Konvektion zwischen den heißen Abgasen der Feuerungsanlage und der kalten, aufzuwärmenden Luft.
Insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen erfolgt der Übergang hauptsächlich durch Konvektion. Die Intensität des Wärmeübergangs hängt dann in hohem Maße von der Strömungsgeschwindigkeit der Medien ab. Auf der Abgasseite wie auch auf der Seite des Wärmetauschermediums sind der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten bauliche und konstruktive Grenzen gesetzt. Deswegen versucht man bei bekannten Wärmetauschern die zur Verfügung stehenden Wärmetauscherflächen zwischen Abgas und Wärmetauschermedium zu vergrößern, oder die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmetauschermediums zu erhöhen. Das gilt insbesondere bei Wärmetauschern der eingangs beschriebenen Gattung, bei denen das Wärmetauschermedium durch Rohre geführt ist. Dabei versucht man durch konstruktive Gestaltung der Strömungswege für das Wärmetauschermedium einen möglichst hohen Turbulenzgrad des Wärmetauschermediums zu erreichen.
Z.B. werden die das Wärmetauschermedium führenden Wärmetauscherrohre mäanderförmig oder mit vielen Krümmungen angeordnet (DE-OS 31 26 030), um einen hohen Turbulenzgrad zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeübergang in einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Gattung noch zu verbessern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in jedes Rohr ein Düsen rohr ragt und daß die Düsen rohre an zugeordnete Luftkästen für die Zuführung des Wärmeaustauschmediums angeschlossen sind, während die Wärmetauscherrohre an Luftkästen für das abströmende Wärmetauschermedium angeschlossen sind.
Bei diesem Wärmetauscher wird das Wärmetauschermedium an den Innenseiten der Wärmetauscherrohre in einer Vielzahl von kleinen, senkrecht auf die Innenseite gerichteten Strahlen zugeführt. Dazu kann insbesondere jedes Düsenrohr auf seinem Umfang verteilt eine Vielzahl von Düsen oder düsenartigen Öffnungen aufweisen, die senkrecht auf die Innenseite des umgebenden Wärmetauscherrohres gerichtet sind. Diese unmittelbare Beaufschlagung der Innenseiten der Wärmetauscherrohre mit dem Wärmetauschermedium führt zu einem wesentlich verbesserten Wärmeübergang, der bis zu 7 x größer sein kann als bei Ausführungen, bei denen das Wärmetauschermedium im wesentlichen parallel zur Heizfläche strömt, u.zwar auch dann, wenn das strömende Wärmetauschermedium einen hohen Turbulenzgrad besitzt. Ausreichend hohe Turbulenzen werden im übrigen auch bei dem beschriebenen Wärmeaustauscher erzeugt, weil die Vielzahl der auf die Innenseiten der Wärmetauscherrohre gerichteten Strahlen im Wärmetauschermedium, welches im Ringraum zwischen Wärmetauscherrohr und Düsenrohr abströmt, einen hohen Turbulenzgrad erzeugt. Dabei entstehen nicht nur größere Turbulenzballen, sondern auch fein verteilte Turbulenzen, so daß ein optimaler Wärmeübergang gewährleistet ist.
Vorzugsweise sollen die Wärmetauscherrohre im Bereich des Abgaskanals enden sowie an ihren freien Enden geschlossen sein, wobei die Düsenrohre sich bis kurz vor die freien Enden erstrecken. Es versteht sich, daß die Düsenrohre stirnseitig dann ebenfalls Düsen oder düsenartige Öffnungen aufweisen können, die die freien Enden der Wärmetauscherrohre beaufschlagen.
Im übrigen hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Wärmetauscherrohre ebenso wie die Düsenrohre bei entsprechender konstruktiver Gestaltung vom Abgaskanal lösbar ausgebildet sein könne. Dazu empfiehlt sich eine Ausführung, bei der die Wärmetauscherrohre an einem Rohrboden und die Düsenrohre an einem Düsenrohrboden befestigt sind, wobei zwischen Rohrboden und Düsenrohrboden der Luftkasten für das abströmende erwärmte Wärmetauschermedium gebildet ist. Der Rohrboden und der Düsenrohrboden können dann mit lösbaren Schraub-oder Klemmverbindungen an einem gemeinsamen Rahmen befestigt sein. Der Rahmen kann auch an einer Tür, insbesondere einer Schwenktür befestigt sein.
Diese Ausführung ermöglicht im übrigen auch eine spiegelbildliche Anordnung von Wärmetauscherrohren und Düsenrohren, bei der an beide Seite eines die Breite des Abgaskanals definierenden Rahmens Rohrböden und Düsenrohrböden angeschlossen sind.
Die Wärmetauscherrohre und/oder die Düsenrohre können im übrigen beliebige Querschnitte aufweisen. Bevorzugt sind kreisförmige Profile. Innerhalb des Abgaskanals können die Wärmetauscherrohre in Strömungsrichtung der Abgase gesehen gerade hintereinander oder auch versetzt zueinander angeordnet werden.
In vielen Anwendungsfällen, insbesondere beim Betrieb von Aluminium-Schmelzöfen sind die Abgase sehr agressiv und zerstören bzw. korrodieren die vom Abgas beaufschlagten Bauteile in sehr kurzer Zeit, wenn diese aus hochhitzebeständigem Stahlblech oder dergl. hergestellt sind. Derartige Korrosionserscheinungen lassen sich vermeiden, wenn die Wärmetauscherrohre und/oder ihr Rohrboden aus Aluminiummaterial bestehen. Die Bauteile können aus gegossenem Aluminium, aus gepreßtem Aluminium oder auch aus Aluminiumblech bestehen. Auch Wärmetauscherrohre und Rohrböden aus Keramik eignen sich für diese Zwecke, insbesondere im Zusammenhang mit Ausführungen, bei denen Wärmetauscherrohre und ihr Rohrboden leicht auswechselbar sind, wie oben beschrieben.
Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung teilweise einen Horizontalschnitt durch einen Abgaskanal, Fig. 2 einen Vertikalschnitt in Richtung II-II durch den Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 3 eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 1.
Der in der Zeichnung dargestellte Wärmetauscher ist für eine industrielle Feuerungsanlage, z.B. einen Aluminium-Schmelzofen bestimmt. Der Wärmetauscher weist einen bei der dargestellten Ausführung vertikal geführten Abgaskanal 1 auf, der einseitig von einer Wand 2 aus Isoliermaterial begrenzt ist. Die daran angrenzenden Seiten werden von einem Rahmen 3 aus einem U-Profil gebildet, der innenseitig mit einer Schicht 4 aus Isoliermaterial belegt ist. An dem der Wand 2 abgewandten U-Schenkel 5 des Rahmens 3 ist mit einer Schraubverbindung 6 lösbar ein Rohrboden 7 befestigt, von dem eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 8 ausgeht. Die Wärmetauscherrohre 8 sind quer zur Strömungsrichtung des Abgaskanals 1 geführt, und sie erstrecken sich über den größten Teil der Breite des Abgaskanals 1. An ihren freien Enden sind die Wärmetauscherrohre 8 geschlossen.
Die Wärmetauscherrohre 8 und der zugeordnete Rohrboden 7 bestehen aus einem Aluminiummaterial, welches der korrosiven Wirkung der Abgase standhält.
Ebenfalls mit der Schraubverbindung 6 ist am U-Schenkel 5 ein Düsenrohrboden 9 befestigt, der im Abstand vom Rohrboden 7 angeordnet ist, so daß zwischen beiden ein Luftkasten 10 gebildet ist. Vom Düsenrohrboden 9 gehen eine Vielzahl von Düsenrohren 11 aus, die sich jeweils in zugeordnete Wärmetauscherrohre 8 bis kurz vor deren geschlossene Enden erstrecken. Die Düsenrohre 11 besitzen auf ihrem Umfang verteilt eine Mehrzahl von Düsen 12 oder düsenartigen Öffnungen, die so angeordnet sind, daß die aus ihren austretenden Strahlen des Wärmetauschermediums senkrecht auf die Innenseite des zugeordneten Wärmetauscherrohres 8 gerichtet sind.
Mit dem Düsenrohrboden 9 ist eine Abschlußwand 13 verbunden, die sich im Abstand vom Düsenrohrboden 9 befindet und zusammen mit diesem einen weiteren Luftkasten 14 definiert. Die Düsenrohre 11 und die angeschlossenen Bauteile können aus einem beliebigen, für diese Zwecke geeigneten Material hergestellt sein.
Mit dem dargestellten Wärmetauscher soll Luft vorgewärmt werden. Die Luft wird in Richtung des Pfeils 15 in den zwischen Abschlußwand 13 und Düsenrohrboden 9 gebildeten Luftkasten 14 geleitet. Sie strömt von dort in die Düsenrohre 11 und tritt aus den Düsen 12 in Form vieler kleiner senkrecht auf die Innenseite der Wärmetauscherrohre 8 gerichteter Strahlen aus.
Durch den Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren 8 und den Düsenrohren 11 strömt die erwärmte Luft zurück in den Luftkasten 10, der zwischen dem Rohrboden 7 und dem Düsenrohrboden 9 gebildet ist und von dort in Richtung des Pfeils 16 ab.
Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt des Wärmetauschers, bei dem die Wärmetauscherrohre 8 in Richtung der Abgasströmung zueinander versetzt angeordnet sind. Nicht dargestellt ist eine Anordnung, bei der die Wärmetauscherrohre 8 in Richtung der Abgasströmung hintereinander angeordnet sind.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit spiegelbildlicher Anordnung der Wärmetauscherrohre 8, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Dementsprechend bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Die Anordnung ist im einzelnen so, daß einander gegenüberliegende Wärmetauscherrohre 8 miteinander fluchten.
Bei einer Variante der Ausführung nach Fig. 1 können der Luftkasten 14 für das zuströmende Wärmetauschermedium einerseits und der Luftkasten 10 für das abströmende Wärmetauschermedium andererseits an gegenüberliegenden Seiten des Abgaskanals 1 angeordnet sein, so daß das aufzuheizende Wärmetauschermedium nach Austritt aus den Düsen 12 der Düsenrohre 8 in gleicher Richtung wie in den Düsenrohren 8 zum Luftkasten 10 weiterströmt.
Bei allen Ausführungsformen können nach Lösung der Schraubverbindungen 6 die hochbeanspruchten Bauteile, nämlich die Rohrböden 7 mit den Wärmetauscherrohren 8 leicht entfernt und durch neue ersetzt werden.
Nicht dargestellt ist, daß zwischen den Wärmetauscherrohren (8) Leitbleche als Zwangsführung für die Abgase vorgesehen sein können.
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Claims

Ansprüche Wärmetauscher, insbesondere für industrielle Feuerungsanlagen mit in einem Abgaskanal quer zur Abgasströmung gerichteten Wärmetauscherrohren, in denen ein Wärmetauschermedium, insbesondere Luft, geführt ist, wobei die Wärmetauscherrohre an den Abgaskanal begrenzende Luftkästen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jedes Wärmetauscherrohr (8) ein Düsenrohr (11) ragt und daß die Düsenrohre (11) an zugeordnete Luftkästen (14) für die Zuführung des Wärmetauschermediums angeschlossen sind, während die Wärmetauscherrohre (8) an Luftkästen (10) für das abströmende Wärmetauschermedium angeschlossen sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Düsenrohr (11) auf seinem Umfang verteilt eine Vielzahl von Düsen (12) oder düsenartigen Öffnungen aufweist, die senkrecht auf die Innenseite des umgebenden Wärmetauscherrohres (8) gerichtet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) im Bereich des Abgaskanals (1) enden sowie an ihren freien Enden geschlossen sind und daß die Düsenrohre (11) sich bis kurz vor die freien Enden erstrecken.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) an einem Rohrboden (7) und die Düsenrohre (11) an einem Düsenrohrboden (9) befestigt sind, wobei zwischen Rohrboden (7) und Düsenrohrboden (9) der Luftkasten (10) für das abströmende erwärmte Wärmetauschermedium gebildet ist.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (7) und der Düsenrohrboden (9) mit lösbaren Schraub-oder Klemmverbindungen (6) an einem gemeinsamen Rahmen (3) befestigt sind.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an beide SeiteNeines die Breite des Abgaskanals (1) definierenden Rahmens (3) Rohrböden (7) und Düsenrohrböden (9) angeschlossen sind.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) und ihr Rohrboden (7) aus Aluminiummaterial bestehen.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) und ihr Rohrboden (7) aus gegossenem Aluminium bestehen.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) und ihr Rohrboden (7) aus gepreßtem Aluminium bestehen.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) und ihr Rohrboden (7) aus Aluminiumblech bestehen.
11 . Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) und ihr Rohrboden (7) aus Keramik bestehen.
12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) und ihr Rohrboden (7) aus Stahl bestehen.
13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) in Strömungsrichtung der Abgase gesehen gerade hintereinander angeordnet sind.
14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (8) in Strömungsrichtung der Abgase gesehen versetzt zueinander angeordnet sind.
15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch zwischen den Wärmetauscherrohren (8) angeordnete Leitbleche zur Zwangsführung der Abgase.
16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkasten (14) für das zuströmende Wärmetauschermedium einerseits und der Luftkasten (10) für das abströmende Wärmetauschermedium andererseits an gegenüberliegenden Seiten des Abgaskanals (1) angeordnet sind.