EP0070371B1

EP0070371B1 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: EP0070371B1
Application number: EP82104446A
Authority: EP
Inventors: Karl-Heinz Funke
Original assignee: FUNKE WARMEAUSTAUSCHER APPARATEBAU KG
Current assignee: FUNKE WARMEAUSTAUSCHER APPARATEBAU KG
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1982-05-21
Publication date: 1985-07-17
Also published as: EP0070371A1; DE3264765D1; DE8121511U1; ATE14346T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere zur Abgaswärmeausnutzung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Wärmerückgewinnung aus Abgasen, wie z. B. von Dieselmotoren oder dergl., wird immer stärker gefordert und erhält zunehmende Bedeutung ; es werden hierfür bevorzugt Rohrbündel-Wärmeaustauscher aus Stahl oder hochlegiertem Stahl eingesetzt. Das abzukühlende Medium, wie z. B. Abgas, wird dabei in der Regel durch die Wärmeübertragungsrohre geführt, weil die Reinigungsmöglichkeit hierbei besser gegeben ist, während das zu erwärmende Medium, wie z. B. Wasser, um die Rohre herumgeführt wird.
In dem Rohrboden des Wärmeaustauschers am Gaseintritt kommt es aber vor allem im Bereich zwischen den Wärmeübertragungsrohren zu einem Wärmestau, während die dem Wasser zugewandte Seite des Rohrbodens gekühlt wird. Es besteht die Gefahr, daß im Laufe der Zeit das Material ermüdet und Risse im Rohrboden entstehen, was wiederum zu Undichtigkeiten führt.
Durch die US-A-3 504 739 ist ein Wärmeaustauscher bekannt, der ein Rohrbündel aufweist, das eingangs- und ausgangsseitig jeweils in einem Rohrboden befestigt ist. Eingangsseitig ist ein weiterer Rohrboden mit geringem Abstand vor dem Rohrbündel-Rohrboden angeordnet. Zwischen dem eingangsseitigen Rohrboden und dem davor angeordneten weiteren Rohrboden ist ein Abstandsring vorgesehen. In dem weiteren Rohrboden sind kurze Rohre angeordnet, die teilweise in die Rohre des Rohrbündels hineinragen. Der weitere Rohrboden, vor dem eine Einlaßkammer angeordnet ist, ist als wassergekühlter doppelwandiger Schutzschild ausgebildet, dessen Zwischenraum eine Kühlkammer bildet, die von Kühlwasser durchströmt wird. Damit bildet dieser Schutzschild einen zweiten Wärmeaustauscher, an dem die oben beschriebenen nachteiligen großen Temperaturdifferenzen auftreten, die zu Materialermüdungen und zur Entstehung von Rissen führen können und damit zum Austritt von Kühlmittel. Der wassergekühlte Schutzschild ist außerdem nicht gegenüber dem eingangsseitigen Rohrboden und der Einlaßkammer abgedichtet, so daß die heißen Gase, die über die Einlaßkammer zugeführt werden, um diesen Schutzschild herum zirkulieren und zu einer unzulässigen Aufheizung des Rohrbodens führen können. Die kurzen Rohre enden im Bereich des Rohrbodens, wodurch kein ausreichender Schutz des Rohrbodens gewährleistet ist, weil die heißen Gase beim Austritt aus den kurzen Rohren schon im Bereich des Rohrbodens die Rohre des Rohrbündels anströmen, wodurch die Gefahr einer zu hohen Aufheizung des Rohrbodens besteht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, den Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine unzulässig hohe Aufheizung des einlaßseitigen Rohrbodens verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird sozusagen ein Wärmeschutzschild geschaffen, der den eigentlichen Rohrboden der Wärmeübertragungsrohre gegen hohe Temperaturen abschirmt und damit sicherstellt, daß zwischen beiden Seiten des Rohrbodens ein praktisch vernachlässigbares Temperaturgefälle auftritt ; hierdurch kann das Material des Rohrbodens nicht mehr ermüden oder überlastet werden, auch nicht nach langer Einsatzzeit. und die Gefahr von Rißbildungen und Undichtigkeiten ist vermieden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Durch die weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist eine Erhöhung der Wärmeschutzwirkung erreichbar.
Die weitere Ausbildung gemäß Anspruch 3 verringert die Wärmeübertragung auf den Rohrboden der Wärmeübertragungsrohre zusätzlich.
Die Erfindung soll nun anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt im Schnitt Ein- und Auslaßseite eines Wärmeaustauschers 2, der ein Mantelrohr 4 aufweist, in dem ein mit Umlenkblechen 6 versehenes Rohrbündel aus Wärmeübertragungsrohren 8 angeordnet ist. Die Wärmeübertragungsrohre 8 sitzen beidseitig in mit dem Mantelrohr 4 verbundenen oder gegen das Mantelrohr abgedichteten Rohrböden 10 und 11. Vor dem eingangsseitigen Rohrboden 10 ist mit geringem Abstand ein zweiter Rohrboden 12 angeordnet, in dem ein Rohrbündel aus kürzeren Rohren 14 angeordnet ist. Die Rohre 14 ragen teilweise in die Wärmeübertragungsrohre 8 hinein, und zwar vorzugsweise bis kurz über den Rohrboden 10 hinaus.
Der Außendurchmesser der Rohre 14 ist geringer als der Innendurchmesser der Wärmeübertragungsrohre 8, so daß sich in der Einbaulage die Rohre 14 und die Wärmeübertragungsrohre 8 nicht berühren.
Der zwischen den beiden Rohrböden 10 und 12 gebildete Zwischenraum 16 ist nach außen abgedichtet, z. B. mit einer Ringdichtung 18. Der Zwischenraum 16 selbst kann zusätzlich mit einem schlecht wärmeleitenden Material, wie z. B. Asbest, ausgefüllt sein.
Vor dem Rohrboden 12 ist eine Einlaßkammer 20 abgedichtet (Dichtung 21) angeordnet. Auf der Auslaßseite des Wärmeaustauschers 2 münden die Wärmeaustauscherrohre 8 direkt in eine Auslaßkammer 19.
Das Mantelrohr 4 weist eine Einlaßöffnung 22 und eine Auslaßöffnung 23, wie z. B. einen Stutzen, auf.
Der dargestellte Wärmeaustauscher 2 ist insbesondere zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen konzipiert. Die bis zu 600 °C oder mehr heißen Abgase werden in die Einlaßkammer geführt und strömen von dort durch die Rohre 14 und 8 zur Auslaßkammer. Sie geben dabei ihre Wärme über die Wärmeübertragungsrohre an das diese Wärmeübertragungsrohre umströmende Medium, wie z. B. Wasser ab, das über die Einlaßöffnung 22 in den Mantelraum 24 des Mantelrohres 4 einströmt.
Der äußere Rohrboden 12 wirkt als Wärmeschutzschild für den Rohrboden 10 der Wärmeübertragungsrohre 8. Der zum Mantelraum 24 hin kühle Rohrboden 10 kann sich auf der Außenseite 26 nun nicht mehr so stark erwärmen, daß ein zu großes Temperaturgefälle, zu große Wärmespannungen sowie Materialermüdungen und dadurch bedingte Risse entstehen.
Die Wärme wird vom Rohrboden 12 aufgenommen und damit bezüglich des Rohrbodens 10 von dem Rohrboden 12 abgeschirmt. Da die Innenseite 28 des Rohrbodens 12 nicht gekühlt ist, können keine großen Temperaturunterschiede zwischen beiden Seiten des Rohrbodens 12 auftreten, so daß Wärmespannungen nicht entstehen. Aber auch eine im Laufe der Zeit auftretende Materialermüdung infolge der hohen Abgastemperaturen und dadurch evtl. hervorgerufene Rißbildungen im äußeren Rohrboden 12 sind unschädlich, weil die Abschirmwirkung hierdurch nicht beeinträchtigt wird.

Claims

1. Wärmeaustauscher, insbesondere zur Abgaswärmeausnutzung, mit einem in einem Mantelrohr (4) angeordneten und mit Strömungsleitblechen (6) versehenen Bündel aus Wärmeübertragungsrohren (8), die eingangs- und ausgangsseitig jeweils in einem Rohrboden .(10, 11) befestigt sind, und mit einem auf der Einlaßseite des Wärmeaustauschers mit geringem Abstand vor dem eingangsseitigen Rohrboden angeordneten Schutzrohrboden (12), vor dem eine Einlaßkammer (20) vorhanden ist und in dem kurze Rohre (14) angeordnet sind, die in die Wärmeübertragungsrohre (8) teilweise hineinragen, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Rohre (14) bis über den Rohrboden (10) hinaus in die Wärmeübertragungsrohre (8) hineinragen und daß der Zwischenraum zwischen dem Rohrboden (10) und dem Schutzrohrboden (12) am Umfang mit einer zwischen dem Rohrboden (10) und dem Schutzrohrboden (12) angeordneten Dichtung (18) nach außen abgedichtet ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (16) zwischen dem Rohrboden (10) und dem Schutzrohrboden (12) mit einem wärmeisolierenden und hitzeresistenten Material, beispielsweise Asbest, ausgefüllt ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der kurzen Rohre (14) geringer ist als der Innendurchmesser der Wärmeübertragungsrohre (8) und daß die kurzen Rohre (14) etwa konzentrisch innerhalb der Wärmeübertragungsrohre (8) angeordnet sind.