DE8104381U1

DE8104381U1 - Gas-fluessigkeit-waermetauscher

Info

Publication number: DE8104381U1
Application number: DE19818104381U
Authority: DE
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1980-02-18
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1981-08-06
Also published as: US4368777A; FR2476294A1; GB2070225B; IT1128365B; GB2070225A; IT8067242A0

Description

Die Neuerung betrifft einen Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher des Kompakt-Types, der in einem Abgaskanal für die heißen Gase eines Wärmebehandlungs-Ofens angeordnet werden kann. Insbesondere befaßt sich die Neuerung mit einem Wärmetauscher, der bei der Erzeugung heißen oder überhitzten Wassers beim Abkühlen der von einem Wärmebehandlungsofen abgegebenen Abgase verwendet werden kann und ein inneres rohrförmiges Element für den Durchfluß der Gase und ein dieses koaxial umgebendes äußeres rohrförmiges Element aufweist, das mit dem inneren rohrförmigen Element eine Ringkammer bildet.

Eisher verwendete Wasser-Heißgas-Wärmetauscher weisen im allgemeinen ein Bündel von glatten oder mit Flossen versehenen Rohren auf, die manchmal zu Sammlerplatten führen. Dabei treten sowohl auf der Heißgasseite als auch auf der Wasserseite durchaus nicht vernachlässigbare Druckverluste auf. Darüberhinaus sind diese Wärmetauscher so groß und/oder schwer, daß sie nicht ohne weiteres in einen "kontinuierlichen" oder "glockenförmigen" Wärmebehandlungsofen eingebaut werden können, der selbst in seiner einfachsten Ausführung nicht weniger als 14 bis 20 Kamine für die Emission der heißen Gase aufweist.

Angesichts der Tatsache, daß eine hohe Arbeitstemperatur in dem Wärmetauscher und daher in diesem Fall ein hoher Temperaturanstieg zwischen den verwendeten Fluiden es im allgemeinen möglich macht, die Wärmeaustauschflächen zu verringern, haben die Merkmale der bekannten, oben beschriebenen Wärmetauscher bisher dazu geführt, feuerfestes Material oder spezielles Material für ihren B?u auszuwählen. In der Tat ist dies notwendig, um einen hohen Grad an Zuverlässigkeit bei dem Wärmetauscher zu erreichen, da jede Art von Ausfall in einigen Fällen hohe Produktionsverluste verursachen kann.

Eines der der Erfindung zugrunde liegenden Probleme liegt darin, einen Wärmetauscher anzugeben, der nicht die Verwendung von Materialien mit besonderen Festigkeitseigenschaften gegenüber thermischen Beanspruchungen, beispielsweise von legierten Stählen, erfordert. Abgesehen davon, daß diese Materialien in manchen Fällen Eigenschaften aufweisen, die die Verarbeitung weniger wirtschaftlich machen, führen sie auch zur Konstruktion von Wärmetauschern, die bei demselben thermischen Wirkungsgrad mehr Platz beansprucher und höhere Druckverluste sowohl auf der Gasseite als auch auf der Wasserseite aufweisen.

In konstruktiver Hinsicht beruhen die Abmessungen des inneren rohrförmigen Elementes auf den üblichen Berechnungsnormen (ASME Standards), wobei man so vorgeht, als ob es sich um einen einfachen Zylinder handeln würde, der einem von außen nach innen wirkenden Druck ausgesetzt ist. Das äußere rohrförmige Element wird in ähnlicher Weise behandelt, als ob es einer von innen nach außen wirkenden Belastung ausgesetzt wäre.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher der oben beschriebenen Art anzugeben, der auf der einen Seite eine wirkungsvolle Wärmeaustauschfläche aufweist und auf der anderen Seite kompakt im Aufbau und raumsparend ist, wobei die Druckverluste auf der Heißgasseite nahezu null und auf der Wasserseite bis auf ein geringes Niveau reduziert sind.

Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher gelöst, der neuerui gemäß durch die Kombination der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:

a) Einlaß und Auslaß der Ringkammer sind derart angeordnet,

daß die zu erwärmende Flüssigkeit die Ringkammer entgegen ■;

der Strömungsrichtung der Gase in dem inneren rohrförmigen J

Element durchströmt, |ΐ

b) das innere rohrförmige Element ist an seiner Außenoberfläche und an seiner Innenoberfläche mit einer Vielzahl radialer Flossen versehen, die sich mit gleichen Winkelabständen voneinander jeweils parallel zur Achse des inneren rohrförmigen Elementes über einen wesentlichen Abschnitt der Länge desselben erstrecken, und

c) jede radiale Flosse weist eine radiale Höhe auf, die in zur Strömungsrichtung des mit der jeweiligen Flosse in Berührung kommenden Fluides entgegengesetzter Richtung linear abnimmt.

Der neuerungsgemäße Wärmetauscher ist einfach und wirtschaftlich im Aufbau aufgrund der Verwendung von preiswertem Material (beispielsweise Kohlenstoffstahl).

Der neuerungsgemäße Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher kann direkt an die Kamine oder Abzüge von Wärmebehandlungsöfen angeschlossen werden, ohne daß der Aufbau dieser Kamine oder Abzüge geändert werden müßte. Insbesondere braucht der von dem Kamin oder Abzug für die heißen Gase beanspruchte Raum nicht vergrößert zu werden. Das innere rohrförmige Element des Wärmetauschers kann in vorteilhafter Weise von einem Abschnitt des Kamins für die Abführung der Gase gebildet sein, während die von dem äußeren rohrförmigen Element begrenzte Ringkammer, in welcher das Wasser zirkuliert, eine geringfügige Vergrößerung des von dem Kamin beanspruchten Platzes verursacht.

In dem neuerungsgemäßen Wärmetauscher wird die Änderung der radialen Höhe jeder Flosse längs der Wärmetauscherachse so

gewählt, daß die optimale Wärmeaustauschfläche erzeugt wird, um einen vorbestimmten Gesamtkoeffizent des Wärmeüberganges zwischen Gas und Flüssigkeit zu erreichen.

Auf diese Weise wird ein ausreichender Wärmeaustausch entsprechend der Wand des rohrförmigen Elementes gewährleistet und gleichzeitig die Bedingung erfüllt, die radiale Ausdehnung der Flossen so gering wie möglich zu halten, da letztere relativ dünn und daher leicht der Gefahr ausgesetzt sind,durch die überhitzung aufgrund der Berührung mit dem heißen Fluid beschädigt zu werden.

Bei der Konstruktion des neuerungsgemäßen Wärmetauschers wurde die Tatsache berücksichtigt, daß der Wärmeübergang durch Konvektion und aufgrund der hohen Temperaturen der Gase, welche das als Abgasleitung für die Gase dienende innere Rohr durchströmen, auch zu einem erheblichen Anteil durch Strahlung erfolgt.

Wenn man mit dL einen Längenabschnitt des Rohres, mit dq die entsprechend diesem Abschnitt übertragene Wärmemenge, mit cL_T den Ubertragungskoeffizient pro Längeneinheit (Kcal/mh°C) und mit Δ t den mittleren Temperaturanstieg bezeichnet, gilt die folgende Beziehung:

Ein weiterer Vorteil des neuerungsgemäßen Wärmetauschers liegt darin, daß der Druckverlust auf der Gasseite nahezu null und der Druckverlust auf der Wasserseite sehr begrenzt ist, da die Ausbildung von Wirbeln und Turbulenzen weder in dem heizenden Gas noch in dem zu erwärmenden Fluid begünstigt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Neuerung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnung die Neuerung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines neuerungsgemäßen Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt längs Linie III-III in Fig. 2.

Der in der Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher umfaßt ein inneres rohrförmiges Element 1, das dazu bestimmt ist, in der durch den Pfeil A in der Fig. 2 angegebenen Richtung von den Abgasen eines Wärmebehandlungsofens durchströmt zu werden.

Ein äußeres rohrförmiges Element 3 umgibt das innere rohrförmige Element 1 koaxial in der Weise, daß es eine Ringkammer

4 bildet, die an ihren beiden Enden durch ringförmige Elemente

5 begrenzt ist. Diese sind an der Innenoberfläche des rohrförmigen Elementes 3 und der Außenoberfläche des rohrförmigen Elementes 1 angeschweißt. Die Ringkammer 4 ist dazu bestimmt, von einem Wasserstrom in der zur Strömungsrichtung der Gase innerhalb des rohrförmigen Elementes 1 entgegengesetzten Richtung durchflossen zu werden. An dem äußeren rohrförmigen Element 3 sind ein Wassereinlaß 6 und ein Wasserauslaß 7 zur Zufuhr von Wasser zu der Ringkammer 4 bzw. zum Abführen des Wassers aus der Ringkammer 4 vorgesehen, wobei der Einlaß 6 und der Auslaß 7 jeweils mit einem Anschlußflansch 8 versehen sind.

An der Außenoberfläche und der Innenoberfläche des inneren rohrförmigen Elementes 1 sind mehrere radiale Flossen 9 bzw.

10 angeschweißt. Die Flossen 9 und 10 sind mit gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet. Ferner nimmt jede der von der Außenoberfläche des rohrförmigen Elementes 1 abstehenden Flossen 9 eine Winkelstellung ein, die zwischen den zwei ihr benachbarten Flossen 10 liegt, die von der Innenoberfläche des rohrförmigen Elementes 1 nach innen ragt.

Die radialen Flossen 9 und die radialen Flossen 10 erstrecken sich parallel zur Achse des rohrförmigen Elementes 1 über einen wesentlichen Teil der Länge desselben.

Darüber hinaus nimmt die Höhe jeder radialen Flosse in der zur Strömungsrichtung des mit ihr in Berührung tretenden Fluides entgegengesetzten Richtung linear ab. Dies bedeutet, daß die von der Außenoberfläche des rohrförmigen Elementes 1 abstehenden radialen Flossen 9 eine Höhe aufweisen, die von dem dem Auslaßanschluß 7 nahen Ende in Richtung auf das dem Einlaßanschluß 6 für das in den Wärmetauscher eintretende Wasser nahen Ende hin abnimmt. Dagegen nimmt die Höhe der von der Innenoberfläche des rohrförmigen Elementes 1 abstehenden radialen Flossen 10 von ihrem Ende,das dem für den Außlaß der Abgase aus dem Wärmetauscher verwendeten Ende des rohrförmigen Elementes 1 benachbart ist (d.h. dem in der Fig. 2 linken Ende), in Richtung auf das entgegengesetzte Ende hin ab.

Auf diese Weise weist jede radiale Flosse 10 entsprechend dem Einlaß der Abgase in den Wärmetauscher,d.h. in Übereinstimmung mit der Zone höherer Temperatur während des Betriebes, eine reduzierte Höhe auf. Dies dient dazu, eine überhitzung und eine dadurch bedingte Beschädigung aufgrund der Berührung mit dem Gase bei hoher Temperatur zu vermeiden. In gleicher Weise ist die radiale Höhe jeder Flosse 9 nahe dem Einlaßanschluß 6 geringer, um die Verringerung der Höhe der Flossen 10 zu kompensieren und dadurch einen optimalen Wärmeaustausch

durch die Wand des rohrförmigen Elementes 1 hindurch zu gewährleisten.

Die radiale Höhe jeder Flosse 9 und 10 in einer bestimmten Querschnittsebene des Wärmetauschers ist so gewählt, daß man einen Kompromiß zwischen der Notwendigkeit, eine genügend große Wärmeaustauschfläche zur Verfügung zu stellen, und der Notwendigkeit erhält, das Risiko einer überhitzung, und einer damit verbundenen Beschädigung der Flossen zu verhindern.

In der Fig. 2 ist mit 11 ein Hahn oder ein Ventil bezeichnet, mit dem Wasser abgezogen werden kann, das möglicherweise auf dem Boden der Ringkammer 4 zurückgeblieben ist.

Claims

SCHÜTZANSPRÜCHE

1. Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher insbesondere zur Erzeugung heißen oder überhitzten Wassers mit Hilfe der Abgase eines Ofens zur Wärmebehandlung, umfassend ein inneres rohrförmiges Element zum Durchtritt der Gase und ein dieses koaxial unter Bildung einer Ringkammer umgebendes äußeres rohrförmiges Element, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) Einlaß (6) und Auslaß (7) der Ringkammer (4) sind derart angeordnet, daß die zu erwärmende Flüssigkeit die Ringkammer (4) entgegen der Strömungsrichtung der Gase in dem inneren rohrförmigen Element (1) durchströmt,

b) das innere rohrförmige Element (1) ist an seiner Außenoberfläche und an seiner Innenoberfläche mit einer Vielzahl radialer Flossen (9, 10) versehen, die sich mit gleichen Winkelabständen voneinander jeweils paralell zur Achse des inneren rohrförmigen Elementes (1) über einen wesentlichen Abschnitt der Länge desselben erstrecken, und

c) jede radiale Flosse (9, 10) weist eine radiale Höhe auf, die in zur Strömungsrichtung des mit der jeweiligen Flosse in Berührung kommenden Fluides entgegengesetzter Richtung linear abnimmt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der radialen Flossen (9), die von der Außenoberfläche des inneren rohrförmigen Elementes abstehen, in einer Winkelstellung zwischen zwei ihr benachbarten radialen Flossen (10) angeordnet ist, die von der Innenoberfläche des inneren rohrförmigen Elementes (1) abstehen.