DE3706645A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Wärmetauschern werden bekanntlich Tauschfluide so gegenein­ ander geführt, daß von einem Tauschfluid an das andere unter Zwischenschalten einer Wärmetauschfläche Wärme übertragen wird. Dabei treten jedoch häufig in dem zu erwärmenden bzw. abzuküh­ lenden Fluid unerwünschte chemische und/oder physikalische Reaktionen auf, bedingt durch eine Erwärmung auf eine zu hohe bzw. eine Abkühlung auf eine zu tiefe Temperatur. Ein typisches Beispiel dafür ist die Erwärmung von Brauchwasser mittels durch Heißdampf betriebene Wärmetauscher; hier kommt es, wie allgemein bekannt, häufig zu Kalkausfällung und Ablagerung an der Wärme­ tauschfläche, mit der Erfordernis einer häufigen Wartung des Wärmetauschers, in manchen Fällen auch zu Dampfblasenbildungen an der Grenzschicht Brauchwasser/Wärmetauscherfläche, mit der Folge störender Geräusche. Auch bei Wärmetauschern zum Abkühlen eines Tauschfluids kann es zu vergleichbaren Erscheinungen kommen, etwa zu einem teilweisen Ausfrieren des Tauschfluids im Bereich der Wärmetauschfläche oder zu die Wärmetauschfläche verkrustenden Auskristallisationen. Nun würde es naheliegen, derartige Er­ scheinungen dadurch zu vermeiden, daß man die Temperatur des wärmeabgebenden (kälteabgebenden) Tauschfluids unter einen kritischen Wert senkt (über einen kritischen Wert erhöht), die Wärmetauschfläche aus Material einer etwas geringeren Wärmeleit­ fähigkeit herstellt bzw. mit einer durchgehenden Isolierschicht versieht oder aber, bei strömenden Tauschmedien, die Strömungs­ geschwindigkeit des wärmeaufnehmenden (kälteaufnehmenden) Fluids über die Wärmetauschfläche erhöht. Diese Maßnahmen sind jedoch in vielen Fällen deshalb nicht anwendbar, weil das wärmeab­ gebende (kälteabgebende) Tauschfluid eine vorgegebene Temperatur aufweist, das wärmeaufnehmende (kälteaufnehmende) Tauschfluid auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt bzw. abgekühlt werden soll und/oder auch die Durchsatzmengen der Tauschfluide nicht beliebig veränderbar sind. Darüberhinaus ist vielen dieser Maßnahmen der Nachteil gemeinsam, daß - für einen gegebenen Wärmetauscher - der Wirkungsgrad bzw. die spezifische Über­ tragungsleistung sinkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Wärme­ tauscher der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß die erwähnten Überhitzungs- bzw. Unterkühlungserscheinungen bei optimalem Wirkungsgrad bzw. Leistungsübergang des Wärmetauschers vermieden und die gewünschten Erwärmungs- bzw. Abkühltempera­ turen erreicht werden, wobei sich die zusätzlichen Herstellungs­ kosten in wirtschaftlich vernünftigen Grenzen halten. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentan­ spruches 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß in vielen Fällen die erwähnten kritischen Temperaturen sich nicht über die gesamte Fläche der Wärmetauschfläche erstrecken, sondern auf einen begrenzten Bereich beschränkt sind, oftmals sogar auf einen prozentual vergleichsweise kleinen Bereich. Mit an­ deren Worten, die Wärmetauschflächen zeigen im allgemeinen über ihre Erstreckung quer zum erwünschten Wärmedurchgang ein Temperaturgefälle, wobei dann nur der Bereich höchster Tempera­ tur (bei Erhitzung) bzw. geringster Temperatur (bei Abkühlung) zu nachteiligen Erscheinungen führt. Dabei sei hier festgehal­ ten, daß unter Temperaturgefälle hier nicht nur eine Temperatur­ änderung in einer Richtung verstanden wird, vielmehr jeder auf­ tretende Temperaturverlauf. Mit der Erfindung wird dafür Sorge getragen, daß dieses Temperaturgefälle ausgeglichen bzw. dessen höchster bzw. niedrigster Temperaturbereich durch Anbringung einer Schutzschicht vermieden wird, wohingegen die Bereiche der Wärmetauschfläche, deren Temperatur unterhalb bzw. überhalb einer kritischen Temperatur liegt, unbeeinflußt bleiben, der gegebene Wärmedurchgang hier also aufrechterhalten ist. Auf diese Weise wird bei einem gegebenen Wärmetauscher weder der Wirkungsgrad bzw. der Leistungsübergang mehr als unbedingt nötig beeinträchtigt, noch wird die Erwärmung bzw. Abkühlung des betreffenden Tauschfluids nachteilig beeinflußt und trotzdem sichergestellt, daß die unerwünschten Überhitzungs- bzw. Unter­ kühlungserscheinungen eintreten. Praktisch gesprochen, wird also die Wärmetauschfläche bezüglich ihres Temperaturfeldes untersucht und die Schutzschicht dann nur an denjenigen Be­ reichen und in einem derartigen Dickenverlauf angebracht, wie es für die Einhaltung der bekannten Grenztemperatur, beispiels­ weise der Kalt-Ausfälltemperatur erforderlich ist. Anders aus­ gedrückt, durch angepaßte Isolierwirkung, also lokale Anpassung des gesamten Wärmeleitvermögens von Wärmetauschfläche und Iso­ lierschicht, wird die Wärmeübertragung nur soweit unbedingt nötig behindert, um so die erforderliche Tauschfläche klein zu halten.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere in Rich­ tung einer einfachen kostensparenden Ausbildung der Schutzschicht für praktische Anwendungsfälle, sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf die Erhitzung von Brauchwasser durch Heißdampf dargestellt, und zwar zeigt die einzige Figur schematisch ein Tauscherrohr eines Wärmetauschers im Längsschnitt.

Mit 1 ist ein vertikales, die Wärmetauschfläche darstellendes Tauschrohr bezeichnet, das in einem nur angedeuteten Tauscher­ gehäuse untergebracht ist, und zwar zusammen mit einer Mehr­ zahl identischer, auf der Zeichnung nicht dargestellter Tauscher­ rohre. Das Tauscherrohr 1 wird im vorliegenden Fall von unten nach oben auf seiner Außenseite von Brauchwasser umströmt, wäh­ rend in Rohr 1 bzw. Rohr 2 Dampf in Gegenrichtung strömt und kondensiert (Gegenstromprinzip). Im Tauscherrohr 1 hängt ein dazu konzentrisches Begrenzerrohr 2, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Tauscherrohres 1 entspricht, wobei es je­ doch an seinem Umfang stufenweise so abgedreht ist, daß die Manteldicke in vertikaler Richtung von unten nach oben stufen­ weise abnimmt. Abstandsnocken 6 zentrieren das Rohr 2 im Rohr 1. Im Bereich des unteren Endes des Begrenzerrohres 2 ist ein Dich­ tungsring 3 vorgesehen, der eine dichte Anlage an die Innen­ wand des Tauscherrohres 1 gewährleistet. Ein Querstift 5 haltert das Begrenzerrohr 2. Mit 4 schließlich ist eine Iso­ lierfolie bezeichnet, die an der Innenwand des Tauscherohres 1 anliegt.

Wird ein solcher Wärmetauscher betrieben, und zwar zunächst ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen, also ohne Begrenzerrohr 2 und Isolierfolie 4, dann ergibt sich im Tauscherrohr 1 quer zur gewünschten Wärmedurchgangsrichtung ein Temperaturgefälle, und zwar vertikal in der Zeichnungsebene. Genauer gesagt, die Temperatur der Außenfläche des Rohres 1 nimmt von unten nach oben zu, und zwar aus zwei Gründen. Zum einen ist die Wärmeab­ leitung in das im unteren Bereich noch verhältnismäßig kalte Brauchwasser besser als im oberen Bereich, wo das Brauchwasser bereits eine erhöhte Temperatur besitzt, und zum anderen bildet sich an der inneren Oberfläche des Tauscherrohres 1 ein Film aus kondensiertem Wasserdampf, der im oberen Bereich des Rohres 1 noch äußerst dünn ist und damit den Wärmedurchgang kaum be­ hindert, wohingegen dieser Kondensatfilm durch Sammelwirkung nach unten zu immer dicker wird und damit eine merkliche Wärme­ isolierung darstellt. Die Folge ist, daß im oberen Bereich wesentlich höhere Temperatur auftreten und das durchströmende Brauchwasser in diesen oberen Bereich zumindest in seiner Grenzschicht zur Außenfläche des Tauscherrohres 1 eine uner­ wünscht hohe Temperatur annimmt, beispielsweise eine Temperatur über 65°C, was zu einer erhöhten Kalkausscheidung führt.

Durch das Einsetzen des Begrenzerrohres 2 wird nun erreicht, daß ein Teil des Heizdampfes in den ja zum Dampfraum offenen Ringspalt zwischen den Rohren 1 und 2 eindringt und dort kondensiert, womit eine sich nach unten ver­ jüngende Kondenswasserschicht entsteht. Weil die Wärmeleit­ fähigkeit von Kondenswasser wesentlich geringer ist als die­ jenige des üblichen Tauscherrohr-Materials, nämlich Metall, stellt diese Kondenswasserschicht 7 eine Schutzschicht dar, das heißt, der Wärmedurchgang vom das Rohr 2 durchströmenden Heiß­ dampf zum das Rohr 1 umströmenden Brauchwasser wird gemäß der Dicke der Schicht 7 geringer und die oben erwähnte Überhitzung des Brauchwassers im oberen Rohrbereich wird vermieden. Anderer­ seits aber wird durch diese Maßnahme der Wärmedurchgang im unteren, "ungefährlichen" Bereich nicht beeinträchtigt. Wenn in der Zeichnung zusätzlich noch im allerobersten Bereich des Rohres 10 eine Isolierfolie 4 angebracht ist, deren Wärmeleit­ fähigkeit noch geringer ist als diejenige des Kondenswassers, dann soll damit nur eine Möglichkeit aufgezeigt werden, die Konizität der Schutzschicht 7 in Extremfällen in Grenzen zu halten; meist ist ohne eine solche Isolierfolie 4 auszukommen. Auch ist es in vielen Fällen nicht erforderlich, daß das Be­ grenzerrohr 2 und damit die Schutzschicht 7 über einen so großen axialen Bereich des Tauscherrohres 1 erstreckt sind, meist genügt es, wenn die Schutzschicht sich etwa in der oberen Hälfte des Tauscherrohres 1 befindet.

Ein wesentlicher Vorteil des dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß das Begrenzerrohr leicht ein- und ausge­ baut werden kann, so daß bestehende Wärmetauscher an die vorge­ gebenen oder geänderten Betriebsbedingungen angepaßt oder nach­ träglich damit ausgestattet und Wartungen einfacher durchgeführt werden können. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß für die Schutzschicht 7 dasselbe Material wie für die Tauscher­ fluide Verwendung findet, hier also Wasser. Schließlich ist von wesentlicher Bedeutung, daß die Kalkausfällung wesentlich ver­ mindert und trotzdem die Erwärmung des Brauchwassers auf die gewünschte Temperatur gewährleistet ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist die Anbringung der erfindungsgemäßen Schutzschicht unabhängig von der Form der jeweiligen Wärmetauscherfläche, die rohrförmig, plattenförmig oder irgendeine andere geometrische Form besitzen kann. Auch ist die Erfindung davon unabhängig, um welche Tauschfluide es sich handelt, ob sie überhaupt strömen und wenn, ob im Gegen­ strom oder Gleichstrom. Für die Schutzschicht sind die ver­ schiedensten Materialien möglich, sei es gasförmig, flüssig oder fest, es ist lediglich erforderlich, daß die Wärmeleit­ fähigkeit geringer ist als diejenige der Wärmetauschfläche. Auch mehrschichtigte Schutzschichten sind möglich, die auch unterschiedlichen Aggregatszustand aufweisen können, wie bei­ spielsweise die gezeichnete Ausführungsform mit einer Kombi­ nation aus flüssigem (Kondenswasser) und festem (Isolierfolie) Material.

Bei der Anwendung der Erfindung in der Praxis wird man so vor­ gehen, daß man zunächst theoretisch oder durch tatsächliche Messungen das Temperaturfeld der Wärmetauschfläche ermittelt, mit dem Ziel der Erreichung eines möglichst exakten und fein­ gestuften Temperaturrasters. Daraufhin werden dann die Stellen und/oder Bereiche ermittelt, die eine für das jeweils wärme­ aufnehmende (kälteaufnehmende) Tauschfluid "gefährlich" sind, also zu Ausfällungen, Änderungen des Aggregatszustandes und dergleichen führen können. Diese Stellen und/oder Bereiche, aber nur diese, werden dann mit der erfindungsgemäßen Schutz­ schicht abgedeckt, wobei durch Anpassung des Wärmeleitwider­ standes der Schutzschicht durch entsprechende Dickenänderung und/oder Zusammensetzung eine optimale Anpassung an das Tem­ peraturfeld erfolgen kann. Dabei soll hier unter optimal ver­ standen werden, daß die Schutzschicht an jeder Stelle nicht mehr und nicht weniger Isolierwirkung aufweist, als unbedingt erforder­ lich ist. Wie vorab bereits erwähnt, soll je einer derart lokale Anpassung geschaffen werden, daß die Wärmeübertragung nur so­ weit unbedingt nötig behindert wird.

Claims (11)

1. Wärmetauscher mit zumindest einer aus Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehenden, an ihren beiden Ober­ flächen von Tauschfluiden unterschiedlicher Temperatur beauf­ schlagten Wärmetauschfläche, die in ihrer Erstreckung quer zum erwünschten Wärmedurchgang einem Temperaturgefälle unter­ worfen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschfläche (1) an zumindest einem Teilbereich einer ihrer Oberflächen durch eine Schutzschicht (7) aus Material geringerer Wärme­ leitfähigkeit abgedeckt ist, deren Wärmeleitwiderstand in Richtung des Ver­ laufs des Temperaturgefälles, dieses im wesentlichen ausgleichend oder zumindest innerhalb vorgegebener Grenzwerte haltend, unter­ schiedlich ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (7) aus mehreren Einzelschichten unter­ schiedlicher Wärmeleitfähigkeit und/oder unterschiedlicher Erstreckung aufgebaut ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (7) aus einer Fluidschicht besteht, die von einer Feststoffschicht (2) und der Wärmetauschfläche (1) oder von zwei Feststoffschichten begrenzt ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschicht (7) aus demselben Gas oder derselben Flüssigkeit wie eines der Tauschfluide besteht, und zwar im gleichen oder in einem anderen Aggregatszustand.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidschicht (7) mit dem substanzgleichen Tauschfluid in direkter Verbindung steht.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dessen rohrförmige Wärmetauschfläche von dem einen Tauschfluid durchströmt, vom anderen Tauschfluid umströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (7) das Wärmetauschrohr (1) über einen Teil seiner Längserstreckung oder über einen Teil seines Umfangs an der Innen- oder Außenfläche abdeckt.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (7) eine Fluidschicht ist, die von einer Begrenzungsschicht (2) in Form eines zum Wärmetauschrohr (1) koaxialen Begrenzerrohres (2) begrenzt ist, wobei das Begrenzer­ rohr (2) mit dem Wärmetauschrohr (1) einen sich kontinuierlich oder stufenweise ändernden Ringspalt zur Aufnahme der Fluid­ schicht (7) bildet.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, bei dem das aufheizende Tauschfluid ein Dampf, das aufzuheizende Tauschfluid eine Flüssigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt an seinem einen Ende mit dem dampfförmigen Tauschfluid in Verbindung steht und zur Bildung der Fluidschicht (7) mit Dampfkondensat gefüllt ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem begrenzten Bereich des Ringspalts eine wärmeiso­ lierende Folie (4) eingelegt ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzerrohr (2) leicht lösbar im oder auf dem Wärmetauschrohr (1) steckt.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 10 mit vertikalem Wärmetauschrohr, wobei das aufheizende Tausch­ fluid Wasserdampf, das aufzuheizende Tauschfluid Wasser ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt sich von oben nach unten verengt, am Verengungsende vollständig oder nahezu voll­ ständig geschlossen ist und an seinem Oberende mit dem Wasser­ dampf in Verbindung steht, wobei die Schutzschicht Kondenswasser ist.