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Röhrenwärmeaustauscher, insbesondere Vorwärmer oder Vorverdampfer
in Strahlungsdampferzeugern Die Erfindung bezieht sich auf einen inmitten eines
Heißgasstromes angeordneten Röhrenwärmeaustauscher, insbesondere Vorwärmer oder
Vorverdampfer ,in Strahlungsdampferzeugern.
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Es ist bei Wasservorwärmern üblich gewesen, die Rohre in enger Teilung
zueinander anzuordnen und sie im wesentlichen liegend sowohl in waagerechten als
auch in senkrechten Ebenen im Rauc'hgasstrom auszubreiten sowie durch ansteigende
Rohrführung für ein störungsfreies Aufsteigendes Arbeitsmittels Sorge zu tragen.
Diese Maßnahmen allein geben indessen keine Gewähr für eine anteilig gleichmäßige
Verdampfung bzw. Erhitzung in den Rohren des Wärmeaustauschers, weil die Wärmeverteilung
im Rauchgasstrom vielfach nicht gleichmäßig ist und so einzelne Rohrschlangen stärker
mit Hitze beaufschlagt werden als andere. In den stärker beaufschlagten Rohren entwickelt
sich mehr Dampf als in den anderen Rohren, der durch sein größeres Volumen gegenüber
dem Wasser in dem stärker beheizten Rohr mehr Strömungswiderstand vorfindet. Die
anteilig größere Dampfmenge bremst daher den Nachfluß von Wasser in die stärker
beheizten Rohre, zumal durch ihren gemeinsamen Eintritts- bzw. Austrittssammler
gleicher Druckunterschied zwischen den beiden Enden aller Schlangen gegeben ist.
Es konnte somit in den stärker beheizten Rohrschlangen schon Dampfüberhitzung eintreten,
wohingegen in den anderen Rohrschlangen noch nicht einmal die Verdampfung einsetzte.
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Im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Beheizung der verschiedenen
Rohre trotz ungleicher Wärmeverteilung im Rauchgasstrom ist bereits
vorgeschlagen
worden, mehrere Rohrspiralen dampfseitigparallel zu schalten. Bei dem bekannten
Wärmeaustauscher liegen die Rohrspiralen in parallelen, übereinanderliegenden Ebenen,
die vom Rauchgasstrom nacheinander bestrichen werden. Die zu einemRohrstrang gehörenden:,
in denverschiedenen parallelen Ebenen angeordneten Rohrspiralen sind durch senkrecht
zu den Ebenen verlaufende Verbindungsrohre derart verbunden, daß die an erster Stelle
vom Rauchgasstrom getroffene Rohrspirale mit der an letzter Stelle vom Rauchgasstrom
getroffenen Rohrspirale, die an zweiter Stelle mit der an zweitletzter Stelle vom
Rauchgasstrom getroffenen Rohrspirale und so fort hintereinandergeschaltet sind.
Dabei führen. die Verbindungsrohre jeweils vom inneren, Ende der einen zum inneren
Ende der nachfolgenden Rohrspirale. Der Nachteil dieser bekannten Wärmeaustauscher
ist, daß ihre Anwendungsmöglichkeit auf Wärmeaus:tauscher sehr geringer Leistung
beschränkt ist. Je mehr Rohre er haben. müßte, desto mehr Rohrspiralen müßten im
Heißgasstrom hintereinanderliegen. Bekanntlich ist aber der Wärmeübergang- im Bereich
hoher Rauchgastemperaturen anteilig wesentlich größer als im Bereich niedriger Rauchgastemperatur,
trotz gleicher Temperaturdifferenz. Die Hintereinanderschaltung z. B. der ersten
mit der zwanzigsten Rohrspirale führt-daher zu einer anderen Erhitzung des Arbeitsmittels
als in der Hintereinanderschaltung der zehnten und elften Spirale. Wollte man dagegen
bei jener Bauweise jeweils in einer Ebene mehrere Rohre spiralig parallel führen,
so würde dies infolge der besonderen Windungsart zu sehr stark voneinander abweichenden
Rohrlängen führen, zumal dabei jeweils die innenliegende, also kürzeste Rohrspirale
in der wieder innenliegenden Rohrspirale der anderen Ebene ihre Fortsetzung fände
bzw..die äußerste Rohrspirale der einen Ebene in der äußersten Rohrspirale der darüberlie.genden
Rohrebene. Da die Widerstände für ein strömendes Medium in einem Rohr eine Funktion
der Rohrlänge und der Geschwindigkeit sind und die Druckunterschiede zwischen Ein-
und Austrittssammler, :also auch zwischen den Ein- und Austrittsenden aller Rohre,
gleich sind, müßten sich in den: verschiedenen Rohren sehr unterschiedliche Arbeitsmittelmengen
ergeben. Das kürzeste Rohr mit der kleinsten Heizfläche erhielte dabei die größte
Arbeits:mittelmenge, die somit nur sehr wenig Wärme .aufnehmen könnte, wohingegen
durch das längste Rohr mit der größten Heizfläche die kleinste Arbeitsmittelmenge
flösse, deren Temperatur also sehr stark gesteigert würde.
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Es sind weiterhin Röhrenwärmeaustauscher bekannt, 'bei denen die Rohre
sowohl in waagerechten Ebenen als auch in senkrechten Ebenen ausgebreitet und in
üblicher Teilung zueinander angeordnet sowie parallel geschaltet zu einem Bündel
von rechteckigem Querschnitt zusammengefaßt sind und bei denen dä5 Bündel den gesamten
Querschnitt des. Rauchgasstrome.s mit auf .den größten Teil ihrer Länge waagerechten
Rohren durchquert. Dabei sind zwar jeweils das erste und das letzte Rohr und das
zweite und zweitletzte Rohr usw. verbunden, aber nur jeweils zu einem U-Rohr. Nach
Bildung der untersten U-Lage werden die Rohre an einem Ende um z8o° nach oben umgebogen
und bilden über der ersten U-Lage eine zweite usf. Zwar wird schon bei dieser Rohrführung
jedes Rohr .an alle etwaigen Temperaturspitzen im Heizgasstrom geführt, jedoch ergeben
sich bei dieser Rohrführung noch erhebliche Unterschiede in .den Rohrlängen, die
um so größer ;-erden, je mehr Rohre in. einer waagerechten Ebene parallel ,geschaltet
werden müssen, und die um so größer werden, je mehr U -Lagen des Bündels übereinander
angeordnet werden müssen. Die Folgen dieser verschiedenen Rohrlängen sind die gleichen
wie bei dem vorerwähnten Wärmeaustauscher.
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Diese Nachteile werden nach der Erfindung weitgehend dadurch vermieden,
daß das Rohrbündel in Rohrgruppen unterteilt ist und die Rohre je einer Gruppe gemeinsam
in aufeinanderfolgenden. parallelen und - übereinanderliegenden Ebenen .in an sich
bekannter Weise mäanderförmig so gebogen sind, daß die Länge aller in einer Ebene
liegenden Rohrabschnitte annähernd gleich ist, wobei die in. verschiedenen Ebenen
liegenden Rohrabschnitte durch senkrecht zu den Ebenen verlaufende Verbindungsstücke
hintereinandergeschaltet und zu einem durchlaufenden Bündelrohr verbunden sind,
ferner daß das Bündel me'hrfac'h gewunden ist und daß in jeder darübergelegenen
Windung des Bündels die Reihenfolge der Rohrebenen der verschiedenen Rohrgruppen
umgekehrt zur Reihenfolge der Rohrebenen in der darunterliegenden Windung des Bündels
ist und daß vorzugsweise sämtliche Rohre so gebogen sind, daß sie, senkrecht zu
den Ebenen, genau untereinanderliegen.
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Durch diese Ausbildung des Wärmeaustausehers wird weiterhin das Rohrbündel
sowohl in der Tiefe als auch in der Höhe und Breite des Wärmeaustauschers an jede
Stelle des Rauchgasstromes geführt, darüber hinaus aber noch mit der ganz bzw. fast
ganz gleichen Länge jedes Rohres eine weitgehende, nahezu absolut gleichmäßige Beheizung
jedes einzelnen Rohres und damit auch eine gleichmäßige Wärmeaufnahme des Arbeitsmittels
in den Rohren und eine gleichmäßige Abkühlung des Rauchgasstromes erreicht. Durch
seine weitere Ausdehnung in der Tiefe des Rauchgasstromes erfordert der Wärmeaustauscher
ferner nur geringe Bauhöhen und kleine Rauchgaskänalquerschnitte. Die gleichzeitig
bei ihm gegebene geringere Anzahl der Rauchgasströmungsgasen zwischen den Rohrebenen
lassen .schließlich größere Geschwindigkeiten für den Rauchgasstrom zu, die bekanntlich
zu höheren Wärmeübergangsleistungen.der Heizflächen führen und daher einen kleineren
Aufwand an Rohren bzw. Baustoffen für dieselbe Leistung erfordern. Der neue Wärmeaustauscher
hat weiter den Vorteil, daß er in seiner Anwendung nicht auf Wasservorwärmer oder
Vorverdampfer beschränkt ist.
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Vorteilhaft wird der Wärmeaustauscher so ausgebildet, daß in Richtung
des Heizg_asstromes die Windungen des Bündels zwischeneinander Kontroll- bzw. Arbeitsräume
frei lassen, die durch Einsteigtüren
od. dgl. von außen. her erreichbar
sind. Schließlich werden je nach baulichem Bedarf oder je aus anderen Gründen, wie
zweckmäßige Lage der Anschlußsammler, nach der Erfindung Rohre von Rohrgruppen mehrerer
Ebenen, gegebenenfalls alle Rohre, zu einer gemeinsamen senkrechten oder waagerechten
Wand umgebogen, die zur Bildung einer Zuglenkwand oder zum Tragen einer Heizgaskanalwand
angewendet werden kann, bevor ihre U.ohre in den Anschlußsammler münden.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in Ausführungsbeispielen
dargestellt. Es zeigt Abb. i eine perspektivische Ansicht des Wärmeaustau,chers,
Abb. 2 in schematischem Schnitt die Anordnung des Wärmeaustauschers im fallenden
Rauchgas: strom und Abb. 3 einen ähnlichen Schnitt bei der Anordnung des Wärmeaustauschers
in einem liegenden Rauchgasstrom.
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Die Rohre des Wärmeaustauschers entspringen in einem nicht dargestellten
Sammler od.dgl. und münden in einen. Sammler oder eine Trommel B. Die Rohre sind
gewissermaßen zu einem Block Q zusammengefaßt und in diesem blockähnlichen Bündel
durch die Rauchgaskanäle 2 entlang und quer zum Rauchgasstrom geführt.
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Bei dem Beispiel nach der Abb. i besteht das Rohrbündel Q aus neunundvierzig
Rohren, welche zu je sieben. in einer Lage zusammen sowohl in den senkrechten Ebenen
i bis 7 als auch in den waagerechten Ebenen A bis G angeordnet sind.. Das Rohr,
welches in der Schnittkante der Ebenen i und A verläuft, ist im folgenden mit 1.4
bezeichnet. Ähnlich ist die Bezeichnung der übrigen Rohre entsprechend ihrer Zugehörigkeit
zu den unterschiedlichen Ebenen.
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Das Rohr iA läuft zunächst quer zum Rauchgasstrom bis nahe vor die
gegenüberliegende Wand des Kanals 2, kehrt nach enger Umbiegung zur vorderen Wanddes
Kanals zurück, weist hier eine weite Umbiegung auf und führt in diesem Wicklungssinn
mehrmals quer durch den Rauchgasstrom, welchen die Pfeile 3 und 3' andeuten. Bei
den Umkehrungen an der Vorderwand umgreift das Rohr iA gleichsinnig zu ihm gewickelte
Rohre 2A, 3A USW. bis 7A, wohingegen es an der gegenüberliegenden. Kanalwand
von den Rohren 2A, 3A usw. bis 7A umfaßt wird.
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Gleichsinnig bzw. parallel dazu verlaufen die Rohre i bis 7 in den
untereinanderliegenden Ebenen B, C bis G. Am rechten Ende der Gesamtbreite des Wärmeaustauschers
ist das Rohr iA an der gegenüberliegenden Kanalseite nach oben um i8o° umgebogen,
so daß nun zwei Schenkel des Rohres iA dicht übereinanderliegend verlaufen. Dieselbe
Umbiegung weisen die Rohre 2A bis 7A auf. Bei dieser Umbiegung wird die Rohrreihe
1A bis 7A von den Rohrreihen i$ bis 7B, ic bis 7c usf. bis IG bis 7G gewissermaßen
konzentrisch umfaßt, so daß die zunächst als unterste Lage verlaufende Rohrreihe
IG bis 7G nunmehr als oberste Lage über den Rohrreihen iF bis 7F, iE bis 7E usw.
verläuft. In dieser Gruppierung .ist das Rohrbündel nunmehr dem Rauchgasstrom entgegen
bis zum linken Ende der Breite des Wärmeaustauschers in wiederholten Windungen geführt.
An dieser Seite und an der vorderen Wand ist das Rohrbündel ähnqich wie vorlier
.an der rechten Seite bzw. an der hinteren Wand um i8o° nach oben umgebogen, wobei
nun aber die Rohrreihe iA bis 7A die Rohrreihe iB bis 7B usf. bis iG bis 7G umfaßt.
Nach weiterer Ausbreitung des Rohrbündels, nunmehr in Richtung des Rauchgasstromes,
gelangt es wieder bis zur rechten Seite des Wärmeaustauschers. Hier ist nun sowohl
die Rohrreihe iA bis 7A als auch die Rohrreihe 1B bis 7B usw. wieder nach oben um
i 8o° umgebogen, wobei jedoch die Umbiegung quer zum Wicklungssinn verläuft. Die
Rohrreihen umfassen sich bei dieser letzten Umbiegung nicht gegenseitig, sondern
die Umbiegungen liegen nunmehr nebeneinander, so .daß alle neunundvierzig Rohre
nach der Umbiegung in einer gemeinsamen waagerechten Ebene verlaufen zum Anschluß
an den Sammler B. Je nach Lage des Sammlers 8 zum Rohrbündel kann, an Stelle der
letzten Umbiegung um 18o° diese um go° erfolgen, so daß die Reihe der neunundvierzig
Rohre senkrecht nach oben und gegebenenfalls nach einer oder mehreren; Umbiegungen
anderweitig an den An, schlußsammler geführt wird.
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Eine dem oberen Anschluß des gezeigten Wärmeaustauschers ähnliche
Rohrführung kann im Bedarfsfalle auch für den unteren Anschluß des Wärmeaustauschers
an den Zuleitungssammler angewendet werden. Je nach. zweckmäßigster Beheizung kann
das durch die Rohre hindurchströmende Medium an Stelle der im Beispiel zunächst
erläuterten Führung von unten nach oben auch von oben nach unten, geführt wenden,
ebenso der Rauchgasstrom an Stelle der in den Abb. i und 3 angedeuteten Richtung
von links nach rechts oder an Stelle der in der Abb. 2 angedeuteten Richtung von
unten nunmehr nach oben geführt werden, ohne daß dazu der Wärmeaustauscher geändert
zu werden braucht oder von ihm eine andere Wirkung zu erwarten wäre.
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Die schematischen Schnitte der Abb.2 und 3 zeigen die verschiedenen
Querschnitte durch das Blockrohrbündel, wobei die mit einem Kreis bzw. Q bezeichneten
Blöcke den Strom des aufzuheizenden Mediums vom Beschauer weglaufend, die mit einem
Punkt bzw. Q' bezeichneten den Strom des Mediums auf,den Beschauer zukommend darstellen.
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Die in einer gemeinsamen Reihe 15 ausgebreitete gesamte Anzahl der
Rohre ist in den Beispielen nach den Abb. 2 und 3 zum Schutz, gegebenenfalls zum
Tragen der Decke des Kanals, unterhalb dieser entlang geführt. Je nach Richtung
des Rauchgasstromes in bezug auf den Wärmeaustauscher ist dafür zu sorgen, daß keine
von Rohren freien Lücken Rauchgase durch den Wärmeaustauscher ziehen lassen, ohne
daß sie auf Rohre stoßen und dabei Wärme an die Rohre abgeben. Bei einem waagerechten
Rauchgasstrom wie in den Abb. i und 3 ist der Abstand b zwischen den Schenkeln des
Rohres iA an der Umbiegung
gleich den Abständen zwischen den Ebenen.
A-B untereinander eingehalten. Bei einem fallenden oder steigenden Rauchgasstrom,
wie in .der Abb. 2 angegeben, kann dagegen bei der Umbiegung der Abstand b' so groß
gewählt werden, daß ein Montage-, Reinigungs- oder Kontrollschacht 9 zwischen zwei
Rohrpaketen entsteht, in den man durch Einsteigetüren ro gelangen kann. Entsprechend
können die waagerechten Abstände a zum Beispiel zwischen den Schenkeln des Rohres
ir, bei waagerechtem Rauchgaszug auf den Abstand ä in Abb. 3 erweitert und dadurch
Montagegänge 9 od. dgl. geschaffen werden.
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Bei der Abb. 2 ist der Rauchgasstrom von links kommend angenommen.
Der Rauchgasstrom könnte aber auch gemäß der Pfeile 12 aus einer Öffnung 13 oder
gemäß der Pfeile 14 von oben kommen, ohne daß dadurch am Aufbau des Wärmeaustauschers
etwas geändert zu werden braucht.
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Die aus der Abb. i ersichtlichen, bei der Rohrwand 15 gegebenen Abstände
c zwischen den Rohren ia und 7D bzw. den Rohren iD und 7A lassen die Einführung
der übrigen Rohre aus den Ebenen B, C und E, F zu, die der Deutlichkeit halber in
der Abbildung nicht eingezeichnet wurden.