DE3421746C2 - Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für die Übertragung der Wärmeenergie eines ersten Mediums, z. B. der Abgase einer Gasturbine oder eines Kessels oder eines Industrieofens auf ein zweites Medium, z. B. die Verbrennungsluft eines Kessels einer Dampfturbinen-Anlage, mit einem Gehäuse und in diesem parallel zur Gehäusewand angeordneten Hohlkörpern zur Durchleitung des ersten Mediums mit einem ersten Deckel (Rohrboden) und einem zweiten Deckel (Rohrboden) und senkrecht zu den Hohlkörpern angeordneten Zwischenblechen, wobei die Hohlkörper jeweils in den Hohlraum des ersten bzw. zweiten Rohrbodens münden.

Ein solcher Wärmetauscher ist z. B. aus der DE-PS 8 14 159 bekannt. Bei diesem sind die Ein- und Austrittsöffnungen an einem ersten Deckel und die Aus- und Eintrittsöffnungen an einem zweiten Deckel vorgesehen. Dieser Wärmeaustauscher arbeitet nach dem Gegenstrom-Prinzip, d. h. das zu erwärmende zweite Medium kommt am Eingang mit der heißesten Partie des vom ersten heißen Medium durchflossenen Fläche des Hohlkörpers in Berührung. Das erste Medium (Heizgas) tritt hier durch einen zentrischen Stutzen in den Hohlraum des unteren Deckels ein und wird hier in zwei Teilströme geteilt, von denen der eine das Innere eines Doppel-Rohres im Gegenstrom zu dem zweiten, zu erwärmenden Medium durchströmt, während der zweite Teilstrom im Querstrom den Gehäuseraum durchströmt. Der Innenraum des Gehäuses ist mit senkrecht zur Gehäuseachse angeordneten ringkreisförmigen bzw. kreisförmigen Blechen versehen, von denen die ersteren an der Gehäusewand anliegen, während die zweiten sich an den Doppelrohren abstützen, so daß der zweite Teilstrom labyrinthförmig den Innenraum des Gehäuses durchströmt und die Außenrohre der Doppelrohre erwärmen. Beide Teilströme treffen im Hohlraum des oberen Deckels zusammen und verlassen das Gehäuse durch einen oberen, zentrisch angeordneten Stutzen, während das erwärmte Medium aus einem Rohranschluß an dem unteren Deckel heraus geführt wird.

Es wird weiterhin Wärmeaustauscher mit Eintrittsöffnungen für das Heizgas und das zu erwärmende Medium an der einen Stirnseite des Wärmetauschers und Austrittsöffnungen für das Heizgs und das zweite Medium an der zweiten Stirnseite des Wärmeaustauschers bekannt, bei denen das Heizgas und das zu erwärmende Medium in gleicher Richtung, also im Gleichstrom durchlaufen. Solche Wärmeaustauscher sind unter der Bezeichnung Gleichstromwärmeaustauscher bekannt. Am Eingang tritt das erste (heiße) Medium und das zu erwärmende zweite Medium an der gleichen Stelle am Anfang der Wärmeaustauschflächen ein, wo infolge der hohen Temperaturdifferenz ein sehr intensiver Wärmeaustausch stattfindet, der sich im Verlauf des Durchtritts der beiden Medien zum Austrittsbereich hin merklich verschlechtert, was sich ungünstig auf die Baugröße solcher Wärmeaustauscher auswirkt.

Bei beiden vorerwähnten Wärmeaustauschertypen besteht beim Anfahrbetrieb die Gefahr, daß am kalten Ende, also am Ausgang der des von dem Heizgas durchflossenen Hohlkörper oder Rohre eine Taupunktunterschreitung des Heizgases stattfindet, was insbesondere bei häufigem Anfahren und Abfahren des Wärmeaustauschers zu Korrosionserscheinungen an den Hohlkörpern bzw. Rohren führt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeaustauscher mit günstigen Wärmeübertragungs-Leistungswerten pro Volumeneinheit zu schaffen, bei welchem die Wärmeübertragung am kalten Ende, also im Endbereich der Wärmeaustauschflächen des ersten Mediums verbessert wird, wobei eine Taupunktunterschreitung und damit die Bildung von Kondenswasser vermieden wird, um die von gasförmigen und/oder staubförmigen Bestandteilen des ersten Mediums, insbesondere von den Abgasen z. B. von Gasturbinen oder Industrieöfen hervorgerufenen Korrosionserscheinungen zu vermeiden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei dem eingangs beschriebenen Wärmeaustauscher erfindungsgemäß in den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen.

Bei der Anordnung nach der Erfindung strömt also das erste, Wärme abgebende Medium in die parallel zur Gehäusewand angeordneten Bauelemente, während das zweite, Wärme aufnehmende Medium von unten in den ersten Gehäuseabschnitt A einströmt und durch die Umlenkbleche labyrinthförmig umgelenkt wird und die vom ersten Medium durchströmten Rohre umströmt und einem intensiven Wärmeaustausch im Gleichstromverfahren unterliegt, wobei es sich bereits stark erwärmt. Aus dem ersten Gehäuseabschnitt A kommend durchströmt das erwärmte zweite Medium den Hohlraum zwischen der Gehäusewand und der Zwischenwand und tritt von oben in den zweiten Gehäuseabschnitt B ein, wobei es die dort vorgesehenen Umlenkbleche und die das erste Medium führenden Bauelemente im Kreuz-Gegenstrom labyrinthartig umströmt, sich weiter erwärmt und durch das innere Rohr den Wärmeaustauscher verläßt. Das wärmeabgebende Medium durchströmt also den Wärmeaustauscher im Abschnitt A in Kreuzgleichstrom und im Abschnitt B im Kreuzgegenstrom. Zur Vermeidung einer Kondenswasserbildung ist im oberen Teil des inneren Rohres eine Öffnung mit einer Verschließvorrichtung vorgesehen, die geöffnet werden kann, womit das erwärmte zweite Medium zum Teil einen Bypass direkt ins Austrittsrohr vorfindet. Dabei kann die Austrittstemperatur des austretenden zweiten Mediums so weit angehoben werden, daß eine Bildung von Kondenswasser beim ersten, Wärme abgebenden Medium mit Sicherheit vermieden wird.

In zweckmäßiger Weise sind weiterhin als Bauelemente für die Durchleitung des ersten Mediums Rohre vorgesehen, welche den ersten und zweiten Rohrboden durchdringen und jeweils in von weiteren, das Gehäuse verschließenden Böden gebildete Räume münden. Diese insbesondere geraden Rohre können im Querschnitt eine kreisförmige, elliptische oder eine sonstige runde Gestalt oder die Form eines Vielecks aufweisen.

Weiterhin sind die äußeren Leitbleche mit der Gehäusewand bzw. der Zwischenwand und die inneren Leitbleche mit den Rohren für das erste Medium bzw. mit diesen und dem Innenrohr verbunden.

Weiter ist vorgesehen, daß als Verschließvorrichtung für die Öffnung am inneren Rohr eine Klappe oder ein Schieber dient, welcher mit einem Stellglied gekuppelt ist.

In dem von dem ersten Medium durchflossenen Hohlraum ist in der oberen Partie des Gehäuses ein Temperatursensor angeordnet.

Zwischen dem Temperatursensor und dem Stellglied der Klappe oder dem Schieber ist ein Steuergerät vorgesehen, durch welches bei Unterschreitung eines bestimmten einstellbaren Temperaturwertes auf das Stellglied im Sinne einer Öffnung der Klappe oder des Schiebers eingewirkt wird.

Als Stellglied kann ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder dienen, der mit einem Kolben und Gestänge zur Verstellung der Klappe bzw. des Schiebers vorgesehen ist, oder auch ein reversierbarer elektrischer Stellmotor, welche (r) jeweils von dem Steuergerät einen Stellbefehl erhalten, wenn die Abgastemperatur einen bestimmten Wert unter- oder überschreitet.

In dem Steuergerät ist ein Zweipunktregler vorgesehen, welches in Abhängigkeit von der Abgastemperatur auf das Stellglied einwirkt.

Auch im ersten Gehäuseabschnitt A ist eine zur Gehäusewand parallel verlaufende Zwischenwand angeordnet, welche über mindestens einen Kompensator, mit der Gehäusewand verbunden ist, wobei die Umlenkbleche an dieser Zwischenwand befestigt sind.

Zur Zuführung des zweiten Mediums ist zwischen dem unteren Boden und dem ersten Rohrboden ein in den ersten Abschnitt A mündendes gekrümmtes Rohr vorgesehen, welches die Gehäusewand durchdringt.

Zur Führung des ersten Mediums ist zwischen dem unteren Boden und dem ersten Rohrboden in der Gehäusewand ein in den Hohlraum zwischen den beiden Böden mündender Anschlußstutzen vorgesehen

Zur Abführung des abgekühlten ersten Mediums ist zwischen dem zweiten Rohrboden und dem oberen Boden ein in den Hohlraum zwischen den beiden Böden mündender Anschlußstutzen vorgesehen.

Der Zwischenboden für die Unterteilung des Gehäuses ist in einen ersten und einen zweiten Abschnitt A bzw. B auf etwa ein Viertel der Gehäusehöhe angeordnet.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach der Erfindung, der z. B. zum Vorwärmen der Verbrennungsluft eines Industrieofens unter Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärmeenergie vorgesehen ist.

die Fig. 2 einen Schnitt längs der Linien X-X der Fig. 1 und

die Fig. 3 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab mit der Öffnung des Innenrohres.

In den Zeichnungen ist jeweils mit 1 das Gehäuse des Wärmeaustauschers und mit 101 die Gehäusewand bezeichnet. Auf etwa ein Viertel bis ein Drittel der Gehäusehöhe ist ein Zwischenboden 2 vorgesehen, der das Gehäuse in zwei Abschnitte A und B unterteilt. Der untere Abschnitt A ist durch einen ersten Rohrboden 3 in einem Abstand vom Gehäuseende verschlossen. Am unteren Ende des Gehäuses 1 ist ein unterer Boden 12 vorgesehen, der zussammen mit dem ersten Rohrboden 3 eine erste Endkammer 121 einschließt.

Der obere Abschnitt B ist nahe dem oberen Ende durch einen zweiten Rohrboden 6 abgeschlossen. Das obere Gehäuseende ist durch einen oberen Rohrboden 13 verschlossen, der zusammen mit dem zweiten Rohrboden 6 eine zweite Endkammer 131 einschließt.

Zwischen dem unteren Boden 12 und dem ersten Rohrboden 3 ist ein in den ersten Abschnitt A mündendes Rohr 1 vorgesehen, welches die Gehäusewand 101 durchdringt und der Zuführung des zweiten Mediums dient. Gegenüber der für das Rohr 17 vorgesehenen Öffnung in der Gehäusewand 101 ist ein in die erste Endkammer 121 direkt einmündender Anschlußstutzen 16 für die Zuführung des ersten (heißen) Mediums vorgesehen. Weiter ist zwischen dem zweiten Rohrboden 6 und dem oberen Rohrboden 13 ein in die Endkammer 131 mündender Anschlußstutzen 18 vorgesehen, durch den das abgekühlte erste Medium z. B. zu einem Kamin ausströmen kann.

In beiden Gehäuseabschnitten A und B sind senkrecht zur Gehäuse-Längsachse verlaufende Umlenkbleche 8 und 9 vorgesehen, durch welche labyrinthförmige Strömungswege für das zweite Medium entstehen. Der zweite Gehäuseabschnitt B ist mit einer parallel zur Gehäuseachse verlaufenden Zwischenwand 4 versehen, welche zusammen mit der Gehäusewand 101 einen zu beiden Gehäuseabschnitten offenen Strömungskanal 41 bildet. Zur Gehäuseachse fluchtend ist ein, den gesamten Gehäuseabschnitt B durchsetzendes Rohr 5 vorgesehen. Dieses ist gegenüber dem Rohrboden 2 offen und durchdringt den zweiten Rohrboden 6 und den oberen Boden 13 und ist an das Rohr für die vorgewärmte Verbrennungsluft 19 angeschlossen.

Innerhalb des zweiten Gehäuseabschnittes 3 ist nahe dem zweiten Rohrboden 6 eine Öffnung 9 vorgesehen, welche durch eine Klappe oder einen Schieber 10 verschließbar ist. Für die Durchleitung des ersten (heißen) Mediums durch die Abschnitte A und B sind Rohr 11 vorgesehen, welche den ersten 3 und den zweiten Rohrboden 6 durchdringen. Die Rohre 11 münden in die weiteren, von den das Gehäuse verschließenden Böden 12 und 13 gebildeten Endkammern 121 bzw. 131. Die äußeren Leitbleche 8 sind im Abschnitt B mit der Zwischenwand 4 und die inneren Leitbleche 8 mit den Rohren 11 für das erste Medium sowie dem Innenrohr 5 verbunden.

Im Abschnitt A ist weiterhin eine weitere zur Gehäusewand parallel verlaufende Zwischenwand 4-2 vorgesehen. An dieser Zwischenwand sind die Leitbleche 8 sowie auch an den Rohren 11 befestigt. Im Abschnitt A sind die Umlenkbleche nur an den Rohren 11 befestigt.

Der für das Verschließen der Öffnung 9 vorgesehene Schieber oder Klappe 10 (s. Fig. 3) ist über ein Gestänge mit dem Stellglied 104 gekoppelt. In dem vom ersten Medium durchströmten Hohlraum 131 ist ein Temperatursensor 102 vorgesehen. Dieser wirkt auf ein Steuergerät 103, von dem das Stellglied 104 betätigt wird. Bei Unterschreitung eines bestimmten Temperaturwertes im Zwischenraum 131 wird von dem Temperatursensor 102 ein Signal an das Stellglied 104 gegeben, durch welches der im Stellglied befindliche Kolben im Sinne einer Öffnung des Schiebers 10 verstellt wird. In dem Steuergerät 103 ist ein Zweipunktregler vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Abgastemperatur auf das Stellglied 104 einwirkt. Bei Verwendung eines anderen Reglertyps besteht die Möglichkeit, die Größe der Öffnung 9 in Abhängigkeit von der Abweichung der Abgastemperatur von einem bestimmten vorgegebenen Wert auf einen größeren oder kleineren Wert der Öffnung 9 einzustellen.

Die untere Partie der Gehäusewand 101 ist unterteilt, wobei die beiden Teile durch einen Komparator 14 miteinander verbunden sind, womit eine Ausdehnung der unteren Partie des Gehäuses gegenüber der Tragvorrichtung ermöglicht wird.

Weiter sind am Unterteil der Gehäusewand 101 Pratzen 20 vorgesehen, die sich auf eine Tragvorrichtung für den Wärmeaustauscher abstützen.

In der Beschreibung sind jeweils die Ausdrücke oben und unten benutzt, wobei davon ausgegangen wird, daß wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, der Wärmeaustauscher mit seiner Längsachse vertikal steht. Es ist ebenso gut möglich, diesen in horizontaler Lage anzuordnen. In diesem Falle sind statt der Ausdrücke oben bzw. unten die Ausdrücke links bzw. rechts einzusetzen.

Claims (9)

1. Wärmeaustauscher für die Übertragung der Wärmeenergie eines ersten Mediums auf ein zweites zu erwärmendes Medium, mit einem Gehäuse (1), an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils eine durch einen Rohrboden (3, 6) abgetrennte Endkammer (121, 131) angeordnet ist, wobei für das erste Medium an der ersten Endkammer (121) ein Zulauf (16) und an der zweiten Endkammer (131) ein Ablauf (18) sowie die beiden Endkammern (121, 131) verbindende, mit Umlenkblechen (7, 8) versehene Leitungen (11) vorgesehen sind, mit einem das Gehäue (1) in einen ersten (A) und einen zweiten (B) Abschnitt unterteilenden, parallel zu den Rohrböden (3, 6) angeordneten Zwischenboden (2), wobei das zweite Medium in den an die erste Endkammer (121) anschließenden ersten Abschnitt (A) von der Zulaufseite des ersten Mediums her einleitbar ist, und wobei der an die zweite Endkammer (131) anschließende zweite Abschnitt (B) mit einer parallel zur Gehäusewand (101) verlaufenden, von dem Zwischenboden (2) bis nahe der zweiten Endkammer (131) reichenden Zwischenwand (4) versehen ist, welche zusammen mit der Gehäusewand (101) einen von dem ersten (A) in den zweiten Abschnitt (B) reichenden Strömungskanal (41) für das zweite, zu erwärmende Medium bildet, und mit einem zu der Gehäusewand (101) parallel angeordneten, den zweiten Gehäuseabschnitt (B) und die zweite Endkammer (131) durchsetzenden Rohr (5), dessen eines Ende in einem Abstand zu dem Zwischenboden (2) endet und dessen anderes Ende einen Ablauf (19) für das erste Medium bildet, wobei das Rohr (5) innerhalb des zweiten Gehäuseabschnittes (B) eine nahe dem zweiten Rohrboden (6) angeordnete Öffnung (9) aufweist, welche durch eine Verschließvorrichtung (10) zumindest teilweise verschließbar ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitungen (11) für die Durchleitung des ersten Mediums im Querschnitt kreisförmige Rohre vorgesehen sind, welche in mindestens einem Ring konzentrisch zu dem Rohr (5) angeordnet sind.

3. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Leitungen (11) verbundenen Umlenkbleche (7, 8) abwechselnd mit der Zwischenwand (4) bzw. mit dem inneren Rohr (5) verbunden sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schließvorrichtung (10) für die Öffnung (9) ein Schieber oder eine Klappe dient, welche(r) mit einem Stellglied (104) gekuppelt ist.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der von dem ersten Medium durchströmten zweiten Endkammer (131) ein Temperatursensor (102) angeordnet ist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Temperatursensor (102) und dem Stellglied (101) der Klappe bzw. dem Schieber (10) ein Steuergerät (103) vorgesehen ist, durch welches bei Unterschreitung eines bestimmten einstellbaren Temperaturwertes das Stellglied (104) im Sinne einer Öffnung der Klappe bzw. des Schiebers (10) eingewirkt wird.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät (103) ein Zweipunktregler vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Temperatur des ersten Mediums auf das Stellglied (104) einwirkt.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenboden (2) den ersten (A) und den zweiten Abschnitt (B) im Verhältnis 1 : 3 unterteilt.

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch im ersten Gehäuseabschnitt (A) eine zur Gehäusewand (101) parallel verlaufende Zwischenwand (42) vorgesehen ist.