EP0488096B1 - Röhrenwärmeaustauscher - Google Patents

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EP0488096B1
EP0488096B1 EP91120033A EP91120033A EP0488096B1 EP 0488096 B1 EP0488096 B1 EP 0488096B1 EP 91120033 A EP91120033 A EP 91120033A EP 91120033 A EP91120033 A EP 91120033A EP 0488096 B1 EP0488096 B1 EP 0488096B1
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/0005—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for domestic or space-heating systems
    • F28D21/0008—Air heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
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    • F28B9/08—Auxiliary systems, arrangements, or devices for collecting and removing condensate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/08—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/082—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration
    • F28D7/085—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration in the form of parallel conduits coupled by bent portions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels

Definitions

  • the invention relates to a tube heat exchanger in which the combustion gases flow through the tubes and there is air on the outside of the tubes, in particular heat exchangers for cooling the combustion gases from boiler systems and / or for preheating the combustion air from boiler systems.
  • condensation cannot usually be ruled out in heat exchangers of the type mentioned at the outset, provided a certain temperature gradient is not ruled out, care has always been taken to ensure that the condensate runs off.
  • condensate traps are used, which are located in the bottom of the heat exchanger on which the condensate collects.
  • the invention is based on the knowledge that a condensate accumulation can be used if the heat exchanger is given a specific design. Accordingly, the invention is based on the object of designing the exchangers mentioned at the outset in such a way that an improved cleaning of the combustion gases and / or heat storage is possible through a conscious accumulation of condensate.
  • At least one tube inside the tube has one or more dam-like projections that reduce its clear passage cross-section and / or an inclined rise and that the tube or the pipes are inclined toward the projections and / or inclined rises .
  • the condensate is deliberately not discharged, but at least collected or stowed at one point, these collections preferably extending essentially over the entire length of the horizontal or inclined pipe sections.
  • the condensate that accumulates can then be used as a heat accumulator and heat the air touching the pipes.
  • the contact area between the combustion gases and the condensate increases within the pipes, which results in better cleaning of the combustion gases.
  • the protrusions or the elevated point caused by the inclined rise do not prevent the condensate from draining off. If a certain amount of condensate has accumulated, the protrusions or the highest points are overcome, but a reservoir-like accumulation remains.
  • the heat exchanger has a large number of approximately horizontal, one above the other straight pipes 1 made of plastic; Adjacent, one above the other pipes 1 go over 18o ° - elbow 2 into each other in such a way that combustion gases supplied from above in the direction of arrow 3 are passed back and forth at a temperature of about 6o ° C through the heat exchanger, which they below in Leave the direction of arrow 4 with a temperature of about 4o O C.
  • the air used to cool the combustion gases is fed in counterflow from below in the direction of arrow 5; it leaves the exchanger in the upper region in the direction of arrow 6. While, according to the embodiment according to the drawing, the cooling air is guided in counterflow to the combustion gases, it can also be guided and directed transversely to the tubes 1 in other embodiments.
  • the tubes 1, viewed in the flow direction of the combustion gases, are provided in the end region with a projection in the manner of a small dam in the lower floor region;
  • small plastic molded bodies 7 are glued into the tubes according to FIGS. 2 and 3 or fastened in another way. They have a T-shaped cross section in such a way that the vertical cross bar 8 forms the actual dam or projection.
  • the greatest height h should be 1o - 5o% of the inside diameter of the pipe.
  • the condensate from the combustion gases collects on the bottom of the tubes 1, a corresponding, flat liquid accumulation being formed.
  • the free condensate surface thus created serves to better influence the combustion gases;
  • thermal energy is stored that can be passed on to the outside air, which e.g. is of great importance when the air is fed to the boiler or furnace from which the combustion gases to be cooled come.
  • the attachment of the plastic molded body 7 at the ends of the tubes 1 is simple because the elbow 2 and tubes 1 are plugged together. There is a socket connection as a plug connection with an O-ring seal.
  • the condensate Due to the tempered flue gases, the condensate is at a correspondingly high temperature. Therefore, it is also possible to use the heat exchanger according to the invention as a radiator, primarily by using the heat stored in the condensate.
  • the radiator designed in this way is preferably used for space heating.
  • the heat exchanger can also be used to preheat the combustion air for a boiler system, with the effect of lowering the temperature of the combustion gases.
  • the tubes 2 lie one above the other; they are inclined so that condensate can also accumulate.
  • the inclination of adjacent tubes 2 is in opposite directions, in such a way that their mutual distance - when viewed in the direction of tubes 1 - is greater in the area of the elbows 2 than at the opposite end (B greater than A) (in tubes 1 and elbows 2 with practically the same diameter dimensions).
  • the condensate is indicated at K.
  • 5 and 6 provides pipes 1o, which are laid back and forth, but are practically in a horizontal plane.
  • Their inlet section 11 is downward towards the pipes 1o and the outlet region 12 of the pipes 1o is inclined upward from the pipes 1o, in order to enable the condensate to accumulate over the entire length of the pipes 1o.
  • the inclination of the pipe sections 12 is advantageously chosen to be so small that the condensate can flow through them before the pipe sections 1o completely fill with the condensate and thereby even close the heat exchanger.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmetauscher, bei dem die Rohre von Verbrennungsgasen durchströmt sind und sich außen an den Rohren Luft befindet, insb. Wärmetauscher zum Abkühlen der Verbrennungsgase von Kesselanlagen und/oder zum Vorwärmen der Verbrennungsluft von Kesselanlagen.
  • Derartige Wärmetauscher sind aus der EP-A-27 478 bereits bekannt.
  • Es ist zwar bei Kondensatoren bekannt (EP-A-120 630), an den Rohrenden von Rohrbündeln Rohrverengungen vorzusehen, um durch das Kondensat einen Verschluß gegen den Austritt von Dampf herbeizuführen, jedoch laufen die waagerecht liegenden Rohre an den entgegengesetzten Enden frei aus, sodaß sich bei nicht strömendem Kondensat keine Kondensatansammlung bilden kann.
  • Da bei Wärmetauschern der eingangs erwähnten Art eine Kondensation im Regelfalle nicht ausgeschlossen werden kann, sofern ein bestimmtes Temperaturgefälle nicht ausgeschlossen ist, hat man stets dafür Sorge getragen, dass das Kondensat abläuft. Dazu werden besonders eingerichtete Kondensat-ableiter verwendet, die sich im Boden des Wärmeaustauschers befinden, auf dem sich das Kondensat sammelt.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein Kondensatanfall nutzbar gemacht werden kann, wenn der Wärmeaustauscher eine bestimmte Ausbildung erhält. Demgemäss liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnten Austauscher so auszubilden, dass durch eine bewusste Ansammlung von Kondensat eine verbesserte Reinigung der Verbrennungsgase und/oder eine Wärmespeicherung möglich sind.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Rohr im Rohrinneren einen oder mehrere, seinen lichten Durchgangsquerschnitt vermindernde, staudammähnliche Vorsprünge und/oder einen schrägen Anstieg aufweist und daß das Rohr bzw. die Rohre zu den Vorsprüngen und/oder schrägen Anstiegen hin geneigt sind.
  • Demgemäss wird das Kondensat bewusst nicht abgeleitet, sondern zumindest an einer Stelle gesammelt bzw. gestaut, wobei sich diese Ansammlungen vorzugsweise im wesentlichen über die gesamte Länge der waagerechten bzw. schräg ansteigenden Rohrabschnitte erstrekken sollen. Das sich ansammelnde Kondensat kann dann als Wärmespeicher verwendet werden und die Rohre aussen berührende Luft anwärmen. Zugleich erhöht sich innerhalb der Rohre die Berührungsfläche zwischen den Verbrennungsgasen und dem Kondensat, wobei sich eine bessere Reinigung der Verbrennungsgase einstellt.
  • Die Vorsprünge bzw. die durch den Schräganstieg bedingte erhöhte Stelle hindern das Kondensat letzthin nicht, abzufliessen. Ist eine bestimmte Kondensatmenge angefallen, so werden die Vorsprünge bzw. die höchsten Stellen überwunden, wobei jedoch eine stauseeähnliche Ansammlung zurückbleibt.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen :
    • Fig. 1
    einen senkrechten Schnitt durch einen Röhrenwärmeaustauscher mit durch die Rohre geführten Verbrennungsgasen und um die Rohre im Gegenstrom geführter Luft,
    Fig. 2
    eine Einzelheit aus einem Tauscher gemäss Fig. 1 im senkrechten Schnitt und
    Fig. 3
    das für die Einzelheit gemäss Fig. 2 benutzte gerade, etwa waagerechte Rohr in axialer Richtung gesehen, dem Schnitt nach der Linie III - III gemäss Fig. 2 entsprechend.
    Fig. 4
    eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführung eines Röhrenwärmeaustauschers in der Ansicht, bei dem die Rohre ebenfalls übereinander angeordnet sind,
    Fig. 5
    eine Draufsicht auf einen weiter abgewandelten Röhrenwärmeaustauscher, dessen Rohre praktisch in einer waagerechten Ebene angeordnet sind und
    Fig. 6
    den Wärmeaustauscher gemäß Fig. 5 in der Ansicht.
  • Der Wärmetauscher hat eine grössere Anzahl etwa waagerecht verlaufender, übereinander angeordneter gerader Rohre 1 aus Kunststoff; benachbarte, übereinander angeordnete Rohre 1 gehen über 18o°- Krümmer 2 ineinander über in der Weise, dass von oben in Richtung des Pfeiles 3 zugeführte Verbrennungsgase mit einer Temperatur von etwa 6o° C hin und her durch den Wärmetauscher geführt werden, den sie unten im Sinne des Pfeiles 4 mit einer Temperatur von etwa 4oO C verlassen.
  • Die zum Kühlen der Verbrennungsgase dienende Luft wird im Gegenstrom von unten im Sinne des Pfeiles 5 zugeführt; sie verlässt den Tauscher im oberen Bereich im Sinne des Pfeiles 6. Während nach der Ausführungsform gemäss Zeichnung die kühlende Luft im Gegenstrom zu den Verbrennungsgasen geführt ist, kann sie auch bei anderen Ausführungsformen quer zu den Rohren 1 geführt und geleitet werden.
  • Wichtig ist nun, dass die Rohre 1 in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase gesehen im Endbereich mit einem Vorsprung nach Art eines kleinen Staudammes im unteren Bodenbereich versehen sind; dazu sind in die Rohre gemäss Fig. 2 und 3 kleine Kunststofformkörper 7 eingeklebt oder in anderen Weise befestigt. Sie haben einen T-förmigen Querschnitt in der Weise , dass der senkrechte Quersteg 8 den eigentlichen Staudamm bzw. Vorsprung bildet. Die grösste Höhe h sollte dabei 1o - 5o % des Rohrinnendurchmessers betragen.
  • Bedingt durch diesen Vorsprung sammelt sich auf dem Grund der Rohre 1 das Kondensat aus den Verbrennungsgasen, wobei sich eine entsprechende,flache Flüssigkeitsansammlung bildet. Die so entstandene freie Kondensatoberfläche dient der besseren Beeinflussug der Verbrennungsgase; zudem wird Wärmeenergie gespeichert, die an die aussen geführte Luft weitergeleitet werden kann, was z.B. dann von grosser Bedeutung ist, wenn die Luft dem Kessel oder Ofen zugeführt wird, von dem die zu kühlenden Verbrennungsgase kommen.
  • Die Anbringung der Kunststofformkörper 7 an den Enden der Rohre 1 ist deshalb einfach, weil Krümmer 2 und Rohre 1 zusammengesteckt sind. Es ist eine Muffenverbindung als Steckverbindung mit einer O-Ringdichtung gegeben.
  • Es sei erwähnt, dass je nach Rohrlänge oder Rohrsteigung jedem Rohr auch zwei oder mehrere Querstege bzw. Vorsprünge zugeordnet werden können. Wenngleich natürlich eine Kondensat-ansammlung am besten dann entsteht, wenn die Rohre 1 zum Vorsprung hin geneigt sind, bedarf es keiner nennenswerten Rohrneigung, weil die Flüssigkeitsansammlung sich nach vorne hin durch den Vorsprung und nach hinten hin durch den nach oben hin abgebogenen Krümmer 2 ergibt. Bei sehr geringer Steigung z.B. unter 1 cm auf 1 m Rohrlänge bzw. sogar bei waagerechtem Verlauf des Rohres 1 ergibt sich eine besonders lange Flüssigkeitsansammlung, wobei eine entsprechend grosse Oberfläche entsteht, die mit den Rauchgasen in Berührung treten kann.
  • Aufgrund der temperierten Rauchgase hat das anfallende Kondensat eine entsprechend hohe Temperatur. Deshalb ist es auch möglich, den erfindungsgemässen Wärmetauscher als Heizkörper zu verwenden, indem vorwiegend die im Kondensat gespeicherte Wärme genutzt wird.Der so ausgeführte Heizkörper wird vorzugsweise zur Raumheizung verwendet. Es sei jedoch erwähnt, dass der Wärmetauscher auch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für eine Kesselanlage dienen kann, wobei auch der Effekt einer Absenkung der Temperatur der Verbrennungsgase entsteht.
  • Bei der Ausführung gemäss Fig. 4 liegen die Rohre 2 übereinander; sie sind geneigt, um so ebenfalls eine Kondensatansammlung zu erreichen. Die Neigung benachbarter Rohre 2 ist dabei gegensinnig, und zwar in der Weise, dass ihr gegenseitiger Abstand - bei Betrachtung in Richtung der Rohre 1 gesehen - im Bereich der Krümmer 2 grösser ist als am entgegengesetzten Ende ( B grösser als A ) ( bei Rohren 1 und Krümmern 2 mit praktisch gleichen Durchmesserabmessungen ). Das Kondensat ist bei K angedeutet.
  • Die Ausführung gemäss Fig. 5 und 6 sieht Rohre 1o vor, die hin und her verlegt sind, jedoch sich praktisch in einer waagerechten Ebene befinden. Ihr Zulaufabschnitt 11 ist dabei zu den Rohren 1o hin nach unten und der Auslaufbereich 12 der Rohre 1o ist hingegen von den Rohren 1o aus nach oben geneigt, um damit über die gesamte Länge der Rohre 1o hinweg eine Ansammlung des Kondensats zu ermöglicht. Mit Vorteil wird dabei aber im Gegensatz zu der zeichnerischen Darstellung die Neigung der Rohrabschnitte 12 nur so gering gewählt, dass über sie das Kondensat abfliessen kann, bevor sich die Rohrabschnitte 1o ganz mit dem Kondensat füllen und dabei gar den Wärmetauscher verschliessen.

Claims (11)

  1. Röhrenwärmetauscher, bei dem die Rohre von Verbrennungsgasen durchströmt sind und sich außen an den Rohren Luft befindet, insb. Wärmetauscher zum Abkühlen der Verbrennungsgase von Kesselanlagen und/oder zum Vorwärmen der Verbrennungsluft von Kesselanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Rohr (1) im Rohrinneren einen oder mehrere, seinen lichten Durchgangsquerschnitt vermindernde, staudammähnliche Vorsprünge (7) und/oder einen schrägen Anstieg aufweist und daß das Rohr bzw. die Rohre zu den Vorsprüngen und/oder schrägen Anstiegen hin geneigt sind.
  2. Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (7) sich an den den Krümmern (2) zugekehrten Enden der Rohre (1) befinden.
  3. Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (7) nachträglich in die Rohre (1) eingesetzte und dort befestigte Körper sind.
  4. Tauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (7) mit einem verbreiterten Fuss versehen sind, mit dem sie die Innenfläche der Rohre (1) berühren.
  5. Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ( grösste ) Höhe (h) der Vorsprünge etwa 1o - 50 % der lichten Innenhöhe der Rohre (1) ausmacht.
  6. Tauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (7) angeklebt sind.
  7. Tauscher nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (1) und die Vorsprünge (7) Kunststoffkörper sind.
  8. Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (1) und die Krümmer (2) durch Steckverbindungen nach Art von Muffenverbindungen zusammengehalten sind.
  9. Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Gefälle der Rohre (1) zu den Vorsprüngen hin etwa 1 cm pro Meter Rohrlänge beträgt.
  10. Tauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Heizkörper , vorzugsweise als Raumheizkörper.
  11. Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei im wesentlichen in einer waagerechten Ebene angeordneten Rohren (1o) deren den Ausgang bildender Abschnitt (12) schräg nach oben geneigt ist, wobei der Zulaufabschnitt (11) der Rohre (1o) vorzugsweise schräg nach unten zu den Rohren (1o) geneigt ist.
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