DE3700443C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Heizkessel, insbesondere für Brennwertkessel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 29 12 011 und der FR-PS 10 37 080 sind Wärme­ tauscher für Heizkessel mit atmosphärischen Gasbrennern be­ kannt, die Rohrregister aufweisen, welche den Heizkessel horizontal von Wand zu Wand durchqueren. In den Rohren sind koaxial stabförmige Einsätze angeordnet, die den Durch­ trittsquerschnitt der Rohre verengen. Dadurch wird auch bei relativ großem Rohrdurchmesser und kleinen Durchflußmengen des Wärmeträgerfluids eine turbulente Strömung entlang der Rohrinnenfläche erreicht, die einen guten Wärmeübergang von den Rohren auf das Wärmeträgerfluid gewährleistet. Um die Rohre des Registers in der gewünschten Weise miteinan­ der zu verbinden, münden diese Rohre in Verbindungsteile, die als haubenförmige Kammern außen auf die Wand des Heiz­ kessels aufgesetzt sind. Die Kammern weisen Zapfen oder Bohrungen auf, auf welche die stabförmigen Einsätze aufge­ steckt bzw. in welche die stabförmigen Einsätze eingesteckt sind. Die Kammern sind gegen die Wand des Heizkessels abge­ dichtet und die durch die Wand des Heizkessels geführten Rohre sind in diese Wand fest eingesetzt, nämlich in diese Wand eingewalzt.

Durch die Befestigung in der Wand des Heizkessels sind die Rohre an ihren beiden Enden axial festgelegt, so daß sie bei der Erwärmung axialen Spannungen ausgesetzt sind. Bei den Heizkesseln mit atmosphärischen Gasbrennern ist dies nicht störend, da die Rohre aus einem Material hergestellt werden können, das diesen thermischen Spannungen standhält. Bei Heizkesseln, bei welchen der Wärmetauscher korrosions­ beständig sein muß, insbesondere bei Brennwertkesseln, bei welchen die Verbrennungsgase an den Wärmetauschern bis zur Kondensation abgekühlt werden, ist man in der Wahl des Ma­ terials der Rohre des Wärmetauschers beschränkt. Werden z. B. Wärmetauscherrohre aus einem keramischen Werkstoff, wie sie aus der US-PS 43 32 295 bekannt sind, oder aus emailliertem Gußeisen oder Stahl verwendet, so kann die thermische Beanspruchung der Rohre zu Brüchen oder Rissen dieses spröden Materiales führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wär­ metauscher zu schaffen, bei welchem die Rohre auch bei thermischer Beanspruchung spannungsfrei sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs ge­ nannten Gattung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei den erfindungsgemäßen Wärmetauschern sind die Rohre nicht axial in der Wand des Heizkessels festgelegt, sondern durch Durchtrittsöffnungen der Wand hindurchgeführt und mit den Verbindungsteilen abgedichtet verbunden. Die Abdichtung zwischen den Rohren und den Verbindungsteilen erfolgt ohne axialen Druck allein durch am Rohrumfang anliegende Dich­ tungen. Die Rohre können sich daher bei thermischer Bean­ spruchung in ausreichendem Maße gegenüber der Wand des Heizkessels und auch gegenüber der nur radial wirkenden Ab­ dichtung gegen die Verbindungsteile verschieben, so daß keine schädlichen axialen Spannungen auftreten. Die Rohre des Wärmetauschers können daher auch aus einem spröden Ma­ terial, wie einem keramischen Werkstoff oder einem email­ lierten Gußmaterial oder Stahl bestehen, das sich wegen seiner Korrosionsfestigkeit besonders für Brennwertkessel eignet.

Sind in die Rohre des Wärmetauschers koaxiale Stäbe zur Turbulenzerzeugung eingesetzt, so können diese Stäbe vor­ zugsweise axial über die Rohre hinausgeführt sein und als Zuganker verwendet werden, um die Verbindungsteile zu befe­ stigen.

Die Verbindungsteile können U-förmige Rohre sein, die stumpf an die Rohre anschließen. Die Abdichtung der Stoßfu­ ge zwischen den Rohren und diesen Verbindungsteilen wird vorzugsweise durch eine am Umfang anliegende elastische Dichtung bewirkt, die von einem Stützring umschlossen ist. Wegen der Abdichtung am Außenumfang setzt diese Art der Verbindung einen gewissen Mindestabstand zwischen den Roh­ ren des Wärmetauschers voraus. Diese Art der Verbindung kann daher insbesondere bei Rohren mit äußeren Rippen ein­ gesetzt werden.

Für die in Strömungsrichtung der Abgase letzten Rohre des Wärmetauschers, die insbesondere korrosionsbeständig sein müssen, eignen sich vorzugsweise Rohre aus keramischem Ma­ terial oder aus emailliertem Guß. Die Herstellung von Roh­ ren mit Außenrippen aus diesen Materialien bereiten techni­ sche Schwierigkeiten, so daß glatte Rohre mit rundem Außen­ umfang bevorzugt werden. Diese müssen jedoch in einem ge­ ringen gegenseitigen Abstand angeordnet sein, um eine aus­ reichende Turbulenz und Berührung der durchströmenden Abga­ se zu erreichen. In diesem Fall ist das Verbindungsteil vorzugsweise als ein auf der Außenseite der Wand des Heiz­ kessels angeordneter Block ausgebildet, der Bohrungen auf­ weist, in welche die Rohre des Wärmetauschers eingesetzt werden. Die Bohrungen sind in dem Block jeweils in der ge­ wünschten Weise miteinander verbunden. Hierzu können auf der von den Rohren abgewandten Rückseite des Blockes Aus­ nehmungen vorgesehen sein, die durch einen Deckel abge­ schlossen werden. Die Abdichtung der Rohre wird ausschließ­ lich am Rohrumfang zwischen den Rohren und den Bohrungen des Blockes bewirkt, so daß keine axialen Druckkräfte auf das Rohr ausgeübt werden. Es können mit diesem Verbindungs­ teil Abstände der Rohre von 2 bis 10 mm erreicht werden. Die besten Strömungsverhältnisse für die Abgase ergeben sich nach Versuchen bei einem Abstand der Rohre von ca. 4 mm.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt der Enden zweier Rohre ei­ nes Wärmetauschers mit einem Verbindungsteil,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Verbin­ dungsteiles von der Rückseite und

Fig. 3 einen Schnitt durch das Verbindungsteil der Fig. 2 gemäß der Linie B-B.

Der Heizkessel weist eine Gas- oder Ölfeuerung auf. Die heißen Abgase dieser Feuerung werden durch einen Wärmetau­ scher geleitet, der aus einem Register von Rohren 10 be­ steht, die von einer Wand 12 des Heizkessels quer durch dessen Innenraum zur gegenüberliegenden Wand führen. Die Rohre 10 bestehen aus einem keramischen Werkstoff, email­ liertem Gußeisen, Edelstahl oder emailliertem Stahl. Die Rohre 10 können eine glatte äußere Mantelfläche oder an ihrem Außenumfang Rippen 14 aufweisen, die die Wärmetauschfläche für die vorbeiströmenden heißen Abgase vergrößern. Zur Er­ zeugung einer Turbulenz des als Wärmeträger durchströmenden Wassers ist in die Rohre 10 ein axial durchgehender Stab 18 eingesetzt. Zwischen dem Stab 18 und der Innenwand des Roh­ res 10 bleibt ein ringförmiger Durchtrittsspalt 20 für das durchströmende Wasser frei. Der Durchmesser des Stabes 18 und damit der freie Durchtrittsquerschnitt des Durchtritts­ spaltes 20 werden im wesentlichen nach der durchschnittli­ chen Temperaturdifferenz zwischen den das Rohr 10 umströ­ menden Abgasen und dem durch das Rohr 10 strömenden Wasser sowie der gewünschten Durchflußmenge und Temperatur des Wassers bestimmt.

In Fig. 1 ist gezeigt, wie die Stäbe 18 zusätzlich als Zuganker für Verbindungsteile 22 benachbarter Rohre 10 ver­ wendet werden können. Die Rohre 10 sind mit einem kurzen Ansatz durch die Wand 12 des Heizkessels herausgeführt. Zwei benachbarte Rohre 10 werden durch ein U-förmiges Ver­ bindungsteil 22 miteinander verbunden, das mit seinen bei­ den Enden stumpf fluchtend auf die herausragenden Ansätze der Rohre 10 aufgesetzt wird. Die Stäbe 18 sind durch das Verbindungsteil 22 hindurchgeführt und stoßen mit einem Ge­ windeansatz 56 aus diesem Verbindungsteil 22 heraus. Mit­ tels auf diese Gewindeansätze 56 aufgeschraubter Muttern kann das Verbindungsteil 22 an den Rohren 10 festgelegt werden. Bestehen die Rohre 10 aus einem spröden keramischen Material, so wird durch diese von den Stäben 18 gebildeten Zuganker keine starke axiale Spannung erzeugt, die ein Bre­ chen der spröden Rohre 10 verursachen könnte. Die Abdich­ tung zwischen den Rohren 10 und dem Verbindungsteil 22 er­ folgt in diesem Falle durch ringförmige elastische Dichtun­ gen 24, die jeweils durch einen sie umschließenden Stütz­ ring 26 abdichtend auf der Stoßfuge gehalten werden.

In den Fig. 2 und 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbindungsteiles 30 gezeigt, das sich besonders eig­ net für Rohre 10 des Wärmetauschers mit glatter Außenober­ fläche, die in geringem gegenseitigem Abstand von 2 bis 8 mm angeordnet sind. Die durch die Wand 12 des Heizkessels herausragenden Ansätze der Rohre 10 sind in Bohrungen 28 des in Form eines Blockes ausgebildeten Verbindungsteiles 30 eingesetzt, das außen an der Wand 12 des Heizkessels an­ geordnet ist. Die Bohrungen 28 sind durch den Block hin­ durchgeführt und auf der den Rohren 10 abgewandten Seite durch Ausnehmungen 32 in der Weise miteinander verbunden, wie dies für die Rohre 10 gewünscht ist. Auf die von den Rohren 10 abgewandte Rückseite des Blockes ist ein Deckel 34 aufgesetzt, der sämtliche Ausnehmungen 32 gemeinsam überdeckt und durch einen alle Ausnehmungen 32 gemeinsam umschließenden Rundschnur-Dichtungsring als Dichtung 36 gegen den Block abgedichtet ist. Die Zulauf- und Ablauf-Anschlüsse 58 des Wärmetauschers sind durch den Deckel 34 hindurchgeführt. Der Deckel 34 kann, wie dies für das mittlere Rohr 10 in Fig. 7 gezeigt ist, konzentrisch zu den Bohrungen 28 und damit zu den eingesetzten Rohren 10 Bohrungen 38 aufweisen, durch welche die Stäbe 18 als Zuganker mit Gewindeansätzen 56 hindurchstoßen, auf welche Muttern aufgeschraubt werden. Auf diese Weise können die Verbindungsteile 30 mit den Dec­ keln 34 auf beiden Seiten des Heizkessels mittels der als Zuganker dienenden Stäbe 18 miteinander verspannt und an der Wand 12 des Heizkessels festgelegt werden. Falls die Stäbe 18 nicht als Zuganker dienen, sondern durch Distanz­ stützen gehalten werden, wie dies für die beiden äußeren Rohre 10 in Fig. 3 gezeigt ist, wird das Verbindungsteil 30 mittels Schrauben 52 an der Wand 12 des Heizkessels festgelegt.

Auch bei dieser Ausführungsform des Verbindungsteiles 30 wird auf die Rohre 10 kein axialer Druck ausgeübt, der zu einer Bruchbelastung des spröden keramischen Materiales führen könnte. Die Rohre 10 sind in axialer Richtung druck­ frei in die Bohrungen 28 eingesetzt und nur an ihrem Umfang durch Manschetten-Dichtungen als Dichtungen 40 oder O-Ring-Dichtungen als Dichtungen 54 gegen das Verbindungsteil 30 und die Wand 12 des Heizkes­ sels abgedichtet. Die Dichtungen 40 bzw. 54 werden beim An­ pressen des Verbindungsteiles 30 gegen die Wand 12 axial gestaucht und dichten das Rohr 10 und die Durchtrittsöff­ nung der Wand 12 sowohl abgasseitig als auch wasserseitig ab. Die Dichtungen 40 bzw. 54 sind von dem wassergekühlten Block des Verbindungsteiles 30 umschlossen und dadurch thermisch nicht stark beansprucht. Anstelle der Dichtungen 40 bzw. 54 kann auch ein elastischer dichtender Klebstoff verwendet werden.

Claims (7)

1. Wärmetauscher für Heizkessel, insbesondere für Brenn­ wertkessel, mit wenigstens einem Register von den In­ nenraum des Heizkessels von Wand zu Wand durchquerenden und durch die Wand des Heizkessels herausgeführten Roh­ ren und mit außerhalb der Wand des Heizkessels angeord­ neten Verbindungsteilen, die die Rohre für das durch­ strömende Wasser oder sonstige Wärmeträgerfluid mit­ einander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (10) mit den Verbindungsteilen (22; 30) ohne axialen Druck durch nur am Rohrumfang anliegende Dich­ tungen (24; 40, 54) abgedichtet verbunden sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (22) mit Rohrstutzen stumpf an die Rohre (10) anschließen und die jeweiligen Stoßfugen von einer am Außenumfang anliegenden elastischen Dich­ tung (24) überdeckt sind, die an ihrem Außenumfang von einem Stützring (26) umschlossen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (30) einen Block mit Bohrungen (28) aufweist, in welche die Rohre (10) eingesetzt sind und welche im Inneren des Blockes miteinander verbunden sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (10) an ihrem Umfang gegen die Bohrungen (28) abgedichtet sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (28) auf der den Rohren (10) abge­ wandten Seite durch Ausnehmungen (32) miteinander ver­ bunden sind, die durch einen Deckel (34) verschlossen sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (34) durch eine alle Ausnehmungen (32) umschließende Dichtung (36) gegen den Block abgedichtet ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rohre (10) im wesentlichen koaxiale Stäbe (18) eingesetzt sind, die über die Enden der Rohre (10) axial hinausragen und als Zuganker für die Verbindungs­ teile (22; 30) dienen.