DE3720527A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Abkühlen von Rauchgasen mit vom Kühlmedium umspülten Glasrohren, einem Mantelrohr und Ein- und Auslaßstutzen.

Wärmetauscher werden vielfältig eingesetzt, insbesondere aber in Verbindung mit Niedertemperaturheizkesseln, bei denen die entstehenden heißen Rauchgase bis unter den Kondensationspunkt abgekühlt werden müssen, damit die Rauchgase ohne die säurehaltigen Bestandteile an die Außenluft abgegeben werden können. Gleichzeitig soll auch eine Rückgewinnung der Wärme erfolgen.

Aus der P 35 43 051.6 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem die Rauchgase durch Glasrohre geleitet werden, die vom Kühlmedium umspült werden.

Auch aus Chemie Technik Nr. 1 (1983), S. 55f ist ein Glasrohr-Wärmetauscher für die Wiederaufheizung von Rein­ gasen aus Müllverbrennungsanlagen bekannt, bei dem das heiße Rohgas durch Glasrohre geführt wird und das anschließend gereinigte Gas zwecks Erwärmung wieder über die Glasrohre geleitet wird.

Diese Wärmetauscher weisen eine Reihe von Nachteilen auf. So ist der Wärmeaustausch aufgrund der geringen Wärmeleitfähig­ keit von Glas nur gering, so daß die Wärmetauscher eine große Baulänge bzw. großen Durchmesser aufweisen, damit der gewünschte Wärmeaustausch erzielt wird. Die Rauchgase werden hierzu durch herkömmliche glatte runde Rohre geleitet. Außerdem ist die elastische Lagerung der Glasrohre kompli­ ziert und kostspielig. So werden die Glasrohre mit einzelnen O-Ringen oder Doppelringdichtungen (s. Verfahrenstechnik 3/84, S. 13) versehen, die in die Rohrböden eingedrückt werden. In diese Doppelringdichtungen müssen die Glasrohre wiederum mit einem Gleitmittel eingeführt werden.

Ziel der Erfindung ist daher ein Wärmetauscher, der diese Nachteile vermeidet, einen großen Wirkungsgrad aufweist, korrosionsbeständig ist und eine einfache Herstellung ermöglicht.

Dieses Ziel wird mit einem Wärmetauscher gemäß den Ansprü­ chen erreicht.

Der Wärmetauscher ist mit Glasrohren bestückt, die ein Profil aufweisen, das sich in Richtung der Längsachse des Rohres erstreckt. Dieses Profil kann ein Innen- oder ein Außenprofil oder eine Kombination aus beiden aufweisen. Entscheidend ist hierbei, daß die wirksame Oberfläche gegenüber den herkömmlichen glatten Rohren mit rundem Querschnitt deutlich vergrößert ist, damit ein besserer Wärmeaustausch erfolgen kann. Bei gleichem Wirkungsgrad ist dadurch eine deutlich geringere Dimensionierung des Wärme­ tauschers möglich.

Es kommen alle denkbaren Profilformen in Frage, die eine vergrößerte Oberfläche des Rohres bewirken. Vorzugsweise weisen die Glasrohre ein hinterschnittenes oder ein im Querschnitt stern- oder wellenförmiges Profil (Außen- und/oder Innenprofil) auf. Besonders geeignet für Wärmetau­ scher sind Glasrohre, deren Außen- und Innenprofil derart kombiniert sind, daß die Wandstärke des Rohres längs des Umfangs konstant ist. Im Querschnitt zeigt die Rohrwand einen wellen- oder sternförmigen Verlauf. Die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche ist bei diesen Rohren erheblich größer als bei herkömmlichen zylindrischen Rohren.

Außen- und Innenprofil können auch derart aufeinander abgestimmt sein, daß die Wandstärke des Rohres längs des Rohrumfangs variiert. In diesem Fall ist das Außenprofil komplementär zum Innenprofil.

Das Profil kann sich bis zu den Rohrenden erstrecken oder es ist ein zylindrischer Rohrabschnitt an den Enden, also im Bereich der Dichtscheiben, angeformt.

Derartige profilierte Glasrohre werden nach einem der bekannten kontinuierlichen Rohrziehverfahren, wie Danner-, Vello- oder A-Zugverfahren hergestellt, wobei während des Ziehvorgangs die Glasschmelze über einen profilierten Formkörper geführt wird und die Viskosität im Bereich des Formkörpers entsprechend der gewünschten Konturschärfe des Profils eingestellt wird.

Eine Vielzahl dieser Glasrohre ist innerhalb des Mantelroh­ res im Abstand und parallel nebeneinander und übereinander angeordnet. Die Rohrenden stecken in einer Lochdichtscheibe aus einem elastischen, temperaturbeständigen Material, das vorzugsweise wegen des anfallenden aggressiven Kondensats auch säurebeständig ist. Die Lochdichtscheibe kann aus säurestabilisiertem Silikon oder anderen säurebeständigen Elastomeren bestehen.

Diese Lochdichtscheibe ist zwischen zwei weiteren, vorzugs­ weise aus einem Metall bestehenden Lochscheiben eingespannt oder eingeklemmt. Durch das Anziehen von in den Lochscheiben befindlichen Spannschrauben wird die Lochdichtscheibe unter Druck gesetzt. Die Bohrungen weisen einen etwas größeren Durchmesser auf als der maximale Außendurchmesser der Rohre, so daß diese mit den Lochscheiben nicht in Berührung kommen. Zusätzlich sind die Löcher mit Ansenkungen versehen, die den Vorteil bieten, daß das elastische Material der Lochdicht­ scheibe gegen die Glasrohre gedrückt wird und gleichzeitig diese in den Bohrungen der Lochplatten zentriert werden. Durch dieses Andrücken des elastischen Materials gegen die Außenwand der Glasrohre ist es möglich, auch außenprofilier­ te Rohre einzubauen, da sich das Material dem Außenprofil anpaßt und einen dichten Abschluß gewährleistet. Eine derartige Anordnung hält einem Druck bis 10 bar stand.

Die Lochscheiben sind mittels Schrauben an einem Flansch des Mantelrohres befestigt, wobei zur Abdichtung zwischen dem Mantelrohr und der Lochscheibe geeignete Dichtringe gelegt sind. Das Mantelrohr ist ein Druckmantelrohr und besteht vorzugsweise aus Stahl.

Die außenliegende Lochscheibe an der Rauchgas-Auslaßseite des Wärmetauschers ist mit Kunststoff, wie z.B. mit Teflon beschichtet, damit keine Korrosion durch das hier anfallende Kondensat auftritt. Aus dem gleichen Grund ist auch der Auslaßstutzen, der an dieser außenliegenden Lochscheibe angeschraubt ist, an seiner Innenseite mit Kunststoff (z.B. Teflon) beschichtet. Der Ein- und/oder der Auslaufstutzen können auch aus Borosilikatglas gefertigt sein.

Bei entsprechender Rauchgas-Einlaßtemperatur kann auch die Lochscheibe der Einlaßseite kunststoffbeschichtet sein.

In den erfindungsgemäßen Wärmetauscher können auch herkömm­ liche runde Rohre eingebaut werden, jedoch bieten die profilierten Rohre wegen der größeren Oberfläche wesentliche Vorteile.

Der Wärmetauscher der als Gas/Flüssigkeitswärmetauscher arbeitet, ist zur Abkühlung von Rauchgasen mit einer Temperatur 300°C auf bis zu 20°C geeignet, wobei die bei der Taupunktunterschreitung der Rauchgase entstehenden sauren Kondensate bei den verwendeten Materialien keine Korrosion hervorrufen können.

Die Auswahl und Konstruktion der kondensatberührenden Teile sind so gewählt, daß eine optimale Standzeit bezüglich der Beständigkeit gegen die sauren Kondensate gewährleistet ist.

Kontaktmaterialien sind entweder Glas oder teflonbeschich­ tete Teile sowie säurestabilisiertes Silikon oder andere säurebeständige Elastomere der Lochdichtscheibe, so daß während des Kontaktes mit sauerem Kondensat keine Schwer­ metalle in das Kondensat übergehen können. Dies ist sehr wichtig für die Wärmerückgewinnung aus Rauchgasen bezüglich der Entsorgung und Neutralisation der anfallenden Kondensa­ te. Mit Schwermetallen angereicherte Abwässer dürfen nicht ins Abwasser eingeleitet werden.

Die Art der Abdichtung (elastische Dichtungsscheibe aus z.B. Silikon) erlaubt eine billige Bauweise durch kürzeste Montagezeit, wobei auch profilierte Außenoberflächen der Wärmetauscher-Röhre mit dieser Dichtungsart bis 10 bar abgedichtet werden können.

Die Lochscheibenkonstruktion erlaubt einen Einsatz von elastischem Dichtungsmaterial bis zu einer Gas bzw. Rauch­ gas-Temperatur von 300°C.

Der Wärmetauscher ist so konstruiert, daß die heißen Gase nur mit Material in Berührung kommen, das einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, nämlich Glas, wäh­ rend der Mantel nur mit dem weitaus kälteren Kühlmedium, nämlich Wasser mit einer Temperatur unter 80°C-90°C, in Berührung kommt, so daß dieser aus einem Material mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt werden kann. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Ausdehnung der einzelnen Bauteile im wesentlichen gleich groß ist, so daß keine unterschiedlichen Kräfte auftreten und eine dauerhafte Einbindung der Glasrohre in das Stahlgehäuse möglich ist.

Durch die glatte Glasoberfläche und die durch die profilier­ ten Rohre möglich gewordene kurze Bauweise liegt der gasseitige Strömungswiderstand des Wärmetauschers unter 0,01 mbar. Außerdem wird durch den Kondensationsbetrieb und durch die glatte Oberfläche der Glasrohre ein Selbstreinigungs­ effekt erzielt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß lediglich durch ein Lockern der Lochdichtscheiben der Austausch von einzelnen Rohren auf einfache Weise möglich ist.

Darüber hinaus ist ein Baukastensystem möglich und nur durch Veränderung der Glasrohrlänge und Mantellänge kann die Leistung des Wärmetauschers geändert werden.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Lochscheiben (Bereich X in Fig. 1);

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Lochplatte mit eingebauten Glasrohren;

Fig. 4a, b Draufsichten auf eingebaute Glasrohre;

Fig. 5, 6a, 6b Draufsichten auf eine Lochscheibe mit einge­ bauten Glasrohren anderer Profilierung;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines profilierten Wärme­ tauscherrohres mit konstanter Wanddicke;

Fig. 8a, b Schnitt längs der Linie A-B und Draufsicht in X-Richtung eines Wärmetauscherrohres gemäß der Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf ein Wärmetauscherrohr gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 10a, b Schnitt längs der Linie A-B und Draufsicht in X-Richtung in Fig. 9 eines Wärmetauscher­ rohres gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt den Wärmetauscher mit Druckmantelrohr 7, Einlaßstutzen 1, Auslaßstutzen 12 und Glasrohren 8, die mit ihren Enden in Lochdichtscheiben 14 stecken, die zwischen den Lochscheiben 4 und 16 bzw. 4 und 11 eingespannt sind. Durch das Anziehen der Spannschrauben 17 werden die elastische, temperatur- und säurebeständige Lochdichtscheibe 14 gegen die Glasrohre 8 gedrückt.

Der Einlaßstutzen 1 ist mittels Schrauben 2 sowie Unterleg­ scheiben 3 an der Lochscheibe 16 befestigt. Auf gleiche Weise ist der Auslaßstutzen 12 an der Lochscheibe 11 angeschraubt.

Die innenliegenden Lochscheiben 4 sind an den Flanschen 23 des Druckmantelrohres 7 mittels der Schrauben 9 sowie der Unterlegscheiben 10 befestigt. Das Druckmantelrohr 7 ist mit Isoliermaterial 6 und einem Blechmantel 15 umgeben.

Durch den Einlaufstutzen 19 erfolgt die Zuführung des Kühlmediums, das im Gegenquerstrom die Glasrohre 8 umströmt und durch den Austrittsstutzen 20 den Wärmetauscher verläßt.

Der Auslaßstutzen 12 für das abgekühlte Rauchgas ist mit einer Kunsstoffschicht 22 versehen und weist im unteren Bereich einen Kondensatablauf 21 auf.

In der Fig. 2 ist der in Fig. 1 gestrichelt markierte Bereich X vergrößert dargestellt. Die Bohrungen 24 in den Lochscheiben 4 und 11 zeigen einen etwas größeren Durchmes­ ser als die Glasrohre 8 und sind auf der der Lochdichtschei­ be 14 zugewandten Seite mit Ansenkungen 18 versehen, in die das elastische Material der Lochdicht­ scheibe 14 beim Zusammenpressen der Lochscheiben 4 und 11 hineingedrückt wird und auf diese Weise die Glasrohre 8 fixiert und zentriert.

Zur Abdichtung sind zwischen Flansch 23 und Lochscheibe 4 sowie zwischen Lochscheibe 11 und Auslaßstutzen 12 O-Ringe 5 bzw. 13 angeordnet.

Die Lochscheibe 11 ist ebenso wie der Auslaßstutzen 12 mit einer Kunststoffschicht 22 versehen.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die Lochscheibe 11 mit den eingebauten Glasrohren 8. In der oberen Hälfte der Loch­ scheibe 11 sind herkömmliche runde Glasrohre 8 einge­ zeichnet, in der unteren Hälfte Glasrohre, deren Außen- und Innenprofil derart ausgebildet sind, daß die Wandstärke der Glasrohre konstant ist. Im Querschnitt zeigen die Rohre ein wellen- oder sternförmiges Aussehen. Beide Rohre 8 sind deutlich in der vergrößerten Darstellung der Fig. 4a und 4b zu sehen.

Das in Fig. 4b dargestellte Rohr 8 entspricht dem in den Fig. 9 und 10 a, b gezeigten Wärmetauscherrohr, bei dem an den Enden ein zylindrischer Rohrabschnitt 25 angeformt ist, dessen Außendurchmesser dem maximalen Durchmesser des profilierten Rohrabschnitts 26 entspricht.

In den Fig. 7 und 8a, b ist ein Wärmetauscherrohr 8 gezeigt, das sich von dem in den Fig. 9, 10a, b dadurch unterscheidet, daß die zylindrischen Rohrabschnitte 25 einen Durchmesser aufweisen, der dem minimalen Außendurchmesser des profilierten Rohrabschnitts 26 entspricht.

In der Fig. 5 ist ebenso wie in Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Lochscheibe 11 dargestellt, jedoch mit Glasrohren gemäß zweier weiterer Ausführungsformen.

Im unteren Bereich sind Glasrohre 8 dargestellt, deren Außenprofil komplementär zum Innenprofil ist, so daß die Stärke der Rohrwand längs des Umfangs abwechselnd dicker und dünner ist (Fig. 6a).

In der oberen Hälfte von Fig. 5 sind Glasrohre 8 mit einem hinterschnittenen Innenprofil dargestellt (Fig. 6b).

Die Wärmetauscherrohre sind nicht auf die gezeigten Profi­ lierungen beschränkt, sondern können auch eine andere Gestalt mit großer Oberfläche aufweisen.

Claims (19)

1. Wärmetauscher zum Abkühlen von Rauchgasen mit vom Kühlmedium umspülten Glasrohren, einem Mantelrohr und Ein- und Auslaßstutzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwand dieser Glasrohre (8) ein Profil aufweist, und daß diese Glasrohre (8) an ihren Enden jeweils mittels einer elastischen, temperaturbeständigen Lochdichtscheibe (14) gehalten sind, die zwischen zwei am Mantelrohr (7) befestig­ ten Lochscheiben (4, 11 bzw. 4, 16) eingespannt ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrinnenwand dieser Glasrohre (8) ein Profil (Innenprofil) aufweist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Innenprofil ein hinterschnittenes Profil ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Innenprofil ein im Querschnitt sternförmiges Profil ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Innenprofil ein im Querschnitt wellenförmiges Profil ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohraußenwand dieser Glasrohre (8) ein Profil (Außenprofil) aufweist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Außenprofil ein im Rohrquerschnitt sternförmiges Profil ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Außenprofil ein im Rohrquerschnitt wellenförmiges Profil ist.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen- und das Außenprofil derart ausgebildet sind, daß die Wandstärke des Rohres (8) längs des Rohrumfangs konstant ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen- und das Außenprofil derart ausgebildet sind, daß die Wandstärke des Rohres (8) längs des Rohrumfangs variiert.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Glasrohre (8) im Bereich der Dichtscheiben (4, 11, 14, 16) einen glatten, zylindri­ schen Querschnitt aufweisen.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (24) dieser Lochscheiben (4, 11, 16) Ansenkungen (18) aufweisen.

13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Lochdichtscheibe (14) aus einem säurebeständigen Elastomer besteht.

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese dem Auslaßstutzen (12) zugewandte Lochscheibe (11) mit Kunststoff (22) beschichtet ist.

15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Einlaßstutzen (1) zugewandte Lochscheibe (16) mit Kunststoff (22) beschichtet ist.

16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßstutzen (1) aus Borosilikatglas besteht.

17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßstutzen (12) aus Borosilikatglas besteht.

18. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Auslaßstutzen (12) an seiner Innenseite mit Kunststoff (22) beschichtet ist.

19. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Mantelrohr (15) ein Druckmantelrohr ist und aus Stahl gefertigt ist.