EP0658736B1 - Rippenrohrwärmeaustauscher - Google Patents

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EP0658736B1
EP0658736B1 EP93850231A EP93850231A EP0658736B1 EP 0658736 B1 EP0658736 B1 EP 0658736B1 EP 93850231 A EP93850231 A EP 93850231A EP 93850231 A EP93850231 A EP 93850231A EP 0658736 B1 EP0658736 B1 EP 0658736B1
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fins
heat exchanger
tubular body
carbon content
ribs
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange element with a tubular body and surface enlarging elements present thereon consisting of a number of fins welded to the outside of the body and pointing outwards from the latter, the tubular body and the entire fins being made of carbon steel.
  • a heat exchanger is known from WO-A-9 002 917.
  • finned tube heat exchangers which are also referred to as finned tubes
  • finned tubes are known in a wide variety of designs and are used for various purposes.
  • such finned tubes are very often used for cylinder steam boilers.
  • generic finned tube heat exchangers have long been used for extracting heat from the flue gases as they pass through flue gas tubes, the flue gas tubes extending vertically upwards through the water and steam space above the boiler firing.
  • the finned tubes are arranged coaxially to the flue gas tubes and within the flue gas tubes and connected to the water and steam space mentioned in order to ensure heat transfer to the medium in question here.
  • a disadvantage of these known finned tubes is that a tendency to form cracks in the weld joint between the fins and the tubular body or between the latter and adjacent parts of the fins has often been found. This tendency is particularly noticeable for ribs which are bent by a cold deformation after welding to the tubular body, but can also occur with other ribs. In practice, the tendency to crack formation described above can cause serious problems. Very small initial cracks that arise during the production process can actually grow larger despite their originally minimal size Broaden cracks and gradually weaken the ribs in such a way that they are broken off from the tubular body by applying greater mechanical forces, such as those that occur, for example, when cleaning the flue gas ducts in which the finned tubes are arranged.
  • the purpose of the present invention is to provide an improved heat exchange element of the type described in the generic type, in which the risk of cracking as described above is largely eliminated.
  • the finned tube heat exchanger proposed according to the invention is characterized in that the fins are made from a carbon content with a significantly lower carbon content than the carbon content of the carbon content used for the production of the tubular body.
  • the invention is based on the knowledge that the tendency towards any cracks, which is found in known finned tubes, can be attributed to the fact that the material in the parts of the fins that adjoin the tubular body is heated and then cooled when the fins are welded on the tubular body, get an increased brittleness due to the accidental hardening.
  • the invention also proceeds from the finding that this inadvertent hardening is related to the fact that the fins were previously made from normal commercial grade carbon steel with approximately the same carbon content as the material used to make the tubular body.
  • tubular body is usually made of a carbon steel with a carbon content of at least about 0.1%
  • Ribs are preferably made from a material with a carbon content of at most about 0.05%.
  • the ribs can preferably be produced from a material with a carbon content of only about 0.03%.
  • the use of a steel with a very low carbon content in the ribs proposed according to the invention results in a further advantage in addition to the above-mentioned reduction in the risk of crack formation.
  • the low carbon content leads to an improved thermal conductivity of the ribs, and thus to an improved thermal efficiency of the ribs and consequently to an improved total heat transfer coefficient of the tubular body.
  • the cylinder steam boiler shown only partially in FIG. 1, generally designated 10, is provided with a furnace 11 and a pressure vessel 12 present above it, the latter forming the water and steam space of the boiler.
  • Various vertical flue gas pipes 13 extend through the pressure vessel 12 and discharge the flue gases from the furnace 11 to a flue gas hood 14 located above the pressure vessel 12, from which the flue gases can be drawn off via a flue gas outlet 15.
  • each flue gas pipe 13 there is a finned-tube heat exchanger, generally designated 16, consisting of a tubular body 17 and surface enlarging elements arranged thereon.
  • these surface enlargement elements consist of a large number of ribs 18, one end of which is welded to the outside of the tubular body 17 and which protrude outwards from the body.
  • Each finned tube heat exchanger 16 is provided at its lower end with an inlet line 19, by means of which the heat exchanger with that formed in the pressure vessel 12 Water and steam space is connected via an opening 20 in the wall of the associated flue gas pipe 13, while the heat exchanger is provided at its upper end with an outlet line 21, by means of which the heat exchanger with the pressure vessel 12 via an opening 22 in the wall of the flue gas pipe 13 communicates.
  • the finned tube heat exchangers 16 can be provided with fins 18 which protrude in radial directions from the tubular body 17 and which are at least the same length over most of the tubular body.
  • the ribs 18 can preferably be formed in the manner shown in FIG. 3, namely with a decreasing length in the direction of the lower end of the tubular body in order to ensure this that they are not exposed to excessive warming.
  • the upper part of the tubular body can also be equipped with bent ribs of greater length, ie after the normal ribs have been welded to the tubular body. Such a longer and bent rib 18 'is indicated in Fig. 2 with dash-dotted lines.
  • Both the tubular body 17 and the ribs 18 are made of carbon steel.
  • the tubular body 17 is in a known manner made of a material with an appropriate carbon content of at least about 0.1% in order to achieve the desired strength properties.
  • the material used for the production of the ribs 18 should preferably have a maximum carbon content of approximately 0.05%. If the ribs as indicated in Fig. 2 for the rib 18 'is after welding on the tubular If the body is exposed to a deformation, it is advisable to manufacture these ribs from a material with a carbon content of only about 0.03%.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and shown in FIGS. 1-4, but can also be used for finned tube heat exchangers of another design. 5, 6 and 7, examples of other uses for finned tube heat exchanges 16 ', 16' 'and 16' '' are illustrated.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeaustauschelement mit einem rohrförmigen Körper und an diesem vorhandene Flächenvergrösserungselemente bestehend aus einer Anzahl, an der Aussenseite des Körpers angeschweissten und von diesem auswartsgerichteten Rippen, wobei der rohrförmige Körper wie auch die ganzen Rippen aus Kohlenstoffstahl hergestellt sind. Ein solcher Wärmetauscher ist aus WO-A-9 002 917 bekannt.
  • Derartige Rippenrohrwärmeaustauscher, die auch als Rippenrohre bezeichnet werden, sind in verschiedensten Ausbildungen bekannt und werden für verschiedene Zwecke eingesetzt. Beispielsweise werden solche Rippenrohre sehr häufig für Zylinderdampfkessel verwendet. Bei solchen Dampfkesseln hat man schon seit langer Zeit gattungsgemässe Rippenrohrwärmeaustauscher zum Ausgewinnen von Wärme aus den Rauchgasen bei deren Durchlauf von Rauchgasrohren verwendet, wobei sich die Rauchgasrohre vertikal nach oben durch den oberhalb der Kesselfeuerung vorhandenen Wasser- und Dampfraum erstrecken. Die Rippenrohre sind hierbei koaxial zu den Rauchgasrohren und innerhalb der Rauchgasrohre angeordnet und an den genannten Wasser- und Dampfraum angeschlossen um eine Wärmeüberführung zu dem hier befintlichen Medium zu gewährleisten.
  • Nachteilig bei diesen bekannten Rippenrohren ist, dass man desöfteren eine Tendenz zur Rissbildung in der Schweissfuge zwischen den Rippen und dem rohrförmigen Körper oder zwischen letzterem und benachbarten Teilen der Rippen feststellen konnte. Diese Tendenz ist besonders erkennbar für Rippen, die nach dem Verschweissen mit dem rohrförmigen Körper durch eine Kaltverformung abgebogen werden, kann jedoch auch bei anderen Rippen vorkommen. In der Praxis kann die oben beschriebene Tendenz zu Rissbildungen ernsthafte Probleme verursachen. Im Zuge der Herstellung entstandene, sehr kleine initiale Risse können sich nämlich trotz ihrer ursprünglich minimalen Grösse zu grösseren Rissen erweitern und allmählich die Rippen derart schwächen, dass diese durch Beaufschlagung grösserer mechanischer Kräfte, wie diese beispielsweise beim Reinigen der Rauchgaskanale, in welchen die Rippenrohre angeordnet sind, vorkommen, vom rohrförmigen Körper abgebrochen werden.
  • Zweck vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Wärmeaustauschelementes der gattungsgemäss beschriebenen Art, bei welchem die Gefahr einer oben beschriebenen Rissbildung weitgehend ausgeschaltet ist.
  • Der hierzu erfindungsgemäss vorgeschlagene Rippenrohrwärmeaustauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen aus einem Kohlenstoffgehalt mit einem bedeutend niedrigeren Kohlenstoffgehalt als der Kohlenstoffgehalt des für die Herstellung des rohrförmigen Körpes verwendeten Kohlenstoffgehalts hergestellt sind.
  • Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass die bei bekannten Rippenrohren festgestellte Tendenz zu etwaigen Rissbildungen darauf zurückzuführen ist, dass das Material in den Teilen der Rippen, die sich an den rohrförmigen Körper anschliessen, bei Erwärmung und anschliessender Abkühlung beim Anschweissen der Rippen an den rohrförmigen Körper, eine erhöhte Sprödheit aufgrund der unabsichtlichen Härtung erhalten. Ausserdem geht die Erfindung auch von der Erkenntnis aus, dass diese unabsichtliche Härtung damit zusammenhängt, dass die Rippen früher aus einem Kohlenstahl normaler Handelsqualität hergestellt wurden mit ungefähr dem gleichen Kohlenstoffgehalt wie das zur Herstellung des rohrförmigen Körpes verwendete Material.
  • Während der rohrförmige Körper gewöhnlicherweise aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens ca. 0,1 % hergestellt ist, können die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Rippen vorzugsweise aus einem Material mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens ca. 0,05 % hergestellt werden.
  • Besonders bei rohrförmigen Körpen, bei denen die Rippen nach dem Festschweissen am Körper in kaltem Zustand verbogen werden, können die Rippen vorzugsweise aus einem Material mit einem Kohlenstoffgehalt von lediglich etwa 0,03 % hergestellt werden.
  • Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Verwendung eines Stahles mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt in den Rippen ergibt ausser der oben genannten Verminderung des Risikos einer Rissbildung einen weiteren Vorteil. Der niedrige Kohlenstoffgehalt führt nämlich zu einem verbessertem Wärmeleitungsvermögen der Rippen, und hiermit zu einem verbesserten thermischen Wirkungsgrad der Rippen und folglich zu einer verbesserten totalen Wärmedurchgangszahl des rohrförmigen Körpes. Bei einer Berechnung der Wärmedurchgangszahl eines Rippenrohrwärmeaustauschers bei einem Zylinderdampfkessel hat sich erwiesen, dass man durch die erfindungsgemäss vorgeschlagene Verwendung von Rippen eines Spezialstahles mit einem Kohlengehalt von nur 0,03 % verglichen mit den früher verwendeten Rippen aus Kohlenstoffstahl normaler Handelsqualität mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,11 % eine Verbesserung der Wärmedurchgangszahl mit etwa 4 % feststellen konnte.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben.
    • Fig. 1
    zeigt eine Teilansicht eines Zylinderdampfkessels der mit einer Mehrzahl erfindungsgemässer Rippenrohrwärmeaustauscher versehen ist,
    Fig. 2
    zeigt, in vergrössertem Masstab und im Längsschnitt, eine Teilansicht eines oberen Teiles eines erfindungsgemässen Rippenrohrwärmeaustausches,
    Fig. 3
    zeigt im Längsschnitt eine Teilansicht eines unteren Teiles eines erfindungsgemässen Rippenrohrwärmeaustausches,
    Fig. 4
    zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäss vorgeschlagenen Rippenrohrwärmeaustausches und
    Fig. 5-7
    zeigen Querschnitte von erfindungsgemässen Rippenrohrwärmeaustauscher in verschiedenen Ausbildungen, die für besondere Zwecke vorgesehen sind.
  • Der in Fig. 1 lediglich teilweise gezeigte, allgemein mit 10 bezeichnete Zylinderdampfkessel ist mit einer Feuerung 11 und einem oberhalb dieser vorhandener Druckgefäss 12 versehen, wobei letzteres den Wasser- und Dampfraum des Kessels bildet. Durch das Druckgefäss 12 erstrecken sich verschiedene vertikale Rauchgasrohre 13, die die Rauchgase von der Feuerung 11 zu einer oberhalb des Druckkessels 12 befindlichen Rauchgashaube 14 ableiten, wovon die Rauchgase über ein Rauchgasauslauf 15 abgezogen werden können.
  • Innerhalb jedes Rauchgasrohres 13 befindet sich ein allgemein mit 16 bezeichneter Rippenrohrwärmeaustauscher bestehend aus einem rohrförmigen Körper 17 und an diesem angeordnete Flächenvergrösserungselemente. Wie deutlich aus Fig. 2 - 4 hervorgeht bestehen diese Flächenvergrösserungselemente aus einer grossen Anzahl Rippen 18, deren eines Ende mit der Aussenseite des rohrförmigen Körpes 17 verschweisst ist und die vom Körper nach aussen hervorragen. Jeder Rippenrohrwärmeaustauscher 16 ist an seinem unteren Ende mit einer Einlaufleitung 19 versehen, mittels welcher der Wärmeaustauscher mit dem im Druckgefäss 12 gebildeten Wasser- und Dampfraum über eine Öffnung 20 in der Wandung des dazugehörenden Rauchgasrohres 13 in Verbindung steht, während der Wärmeaustauscher an seinem oberen Ende mit einer Ablassleitung 21 versehen ist, mittels welcher der Wärmeaustauscher mit dem Druckgefäss 12 über eine Öffnung 22 in der Wandung des Rauchgasrohres 13 in Verbindung steht.
  • Der Aufbau und die Funktion des oben kurz beschriebenen Dampfkessels ist an sich bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben. Es sollte hier ausreichend sein zu bemerken, dass man mit zweckmässigen, nicht gezeigten Mitteln einen kontinuierlichen Kreislauf des Wassers durch um die Feuerung 11 befintliche Passagen 23 erzielen kann um hierdurch Wärme von der Feuerung zu dem im Druckgefäss 12 befintlichen Wasser über die Wandungen der Feuerung zu überführen. Dieses Wasser erhält eine weiteren Wärmezufuhr von den durch die Rauchgasrohre 13 strömenden Rauchgasen sowohl aufgrund von Wärmeleitung durch die Wandungen der Rauchgasrohre wie auch durch die Rippenrohrwärmeaustauscher 16 durch denen ein stetiger Kreislauf von Wasser stattfindet. Im Druckkessel 12 erhält man aufgrund der oben beschriebenen Wärmezufuhr eine Dampfbildung, die vom Druckgefäss durch zweckmässige, nicht gezeigte Vorrichtungen abgeleitet werden kann.
  • Die Rippenrohrwärmeaustauscher 16 können in der Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Weise mit in radiellen Richtungen vom rohrförmigen Körper 17 hervorragenden Rippen 18 versehen sein, die wenigstens über den grössten Teil des rohrförmigen Körpes gleicher Länge sind. Entlang eines für die höchsten Rauchgastemperaturen ausgesetzten unteren Teiles des rohrförmigen Körpes 17 können die Rippen 18 doch vorzugsweise in der in Fig. 3 gezeigten Weise ausgebildet sein, nämlich mit in Richtung zum unteren Ende des rohrförmigen Körpes abnehmender Länge um hierdurch sicherzustellen dass diese nicht für eine allzu grosse Erwärmung ausgesetzt werden. Falls gewünscht kann man ausserdem den oberen Teil der rohrförmigen Körper mit abgebogenen Rippen grösserer Länge ausrüsten, d.h. nach dem Verschweissen der normalen Rippen am rohrförmigen Körper. Eine solche längere und abgebogene Rippe 18' ist in Fig. 2 mit strichpunktierten Linien angedeutet.
  • Sowohl die rohrförmige Körper 17 wie auch die Rippen 18 sind aus einem Kohlstoffstahl hergestellt. Der rohrförmige Körper 17 ist hierbei in bekannter Weise zwecks Erzielung der gewünschten Festigkeitseigenschaften aus einem Material mit einen zweckmässigen Kohlenstoffgehalt von wenigstens ca. 0,1 % hergestellt. Die Rippen 18, die früher aus einem Kohlenstoffstahl normaler Handelsqualität mit einen Kohlenstoffgehalt von wenigstens etwa 0,1 % hergestellt wurden, d.h. von einem Material mit ungefähr dem gleichen Kohlenstoffgehalt wie das für die Herstellung der rohrförmigen Körper verwendeten Material, sollen nun erfindungsgemäss aus einem Material hergestellt sein, dass einen bedeutend niedrigeren Kohlenstoffgehalt aufweist als das für die Herstellung der rohrförmigen Körper 17 verwendete Material. Hierdurch ist es möglich eine beträchtliche Verminderung der bei früher bekannten Wärmeaustauschern der vorliegenden Art vorhandenen Gefahr einer Rissbildung in der Schweissfuge zwischen den Rippen 18 und der rohrförmigen Körper 17 bzw. in den an diesen angrenzenden Teilen der Rippen zu vermindern. Ausserdem wird auch ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad der Rippen 18 und damit eine verbesserte totale Wärmedurchgangszahl der Wärmeaustauscher 16 erreicht.
  • Das für der Herstellung der Rippen 18 verwendete Material soll vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von maximal ca. 0,05 % aufweisen. Falls die Rippen wie in Fig. 2 für die Rippe 18' angedeutet ist nach dem Verschweissen am rohrförmigen Körper einer Kalltverformung ausgesetzt wird ist es doch zweckmässig diese Rippen aus einem Material mit einem Kohlenstoffhalt von nur etwa 0,03 % herzustellen.
  • Die Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen und in den Fig. 1 - 4 gezeigten Ausführungsformen beschränkt sondern kann auch für Rippenrohrwärmeaustauscher anderer Ausbildung verwendet werden. In den Fig. 5, 6 und 7 sind Beispiele für andere Verwendungszwecke bei Rippenrohrwärmeaustauschen 16', 16'' bzw. 16''' veranschaulicht.

Claims (3)

  1. Rippenrohrwärmeaustauscher (16) mit einem rohrförmigen Körper (17) und an diesem vorhandenen Flächenvergrösserungselementen bestehend aus einer grossen Anzahl an der Aussenseite des Körpers (17) angeschweissten und von diesem auswärts gerichteten Rippen (18), wobei sowohl die ganzen Rippen (18) wie auch der Körper (17) aus Kohlenstoffstahl hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (18) aus einem Kohlenstoffstahl mit einem bedeutend niedrigeren Kohlenstoffgehalt als der Kohlenstoffgehalt des für die Herstellung des rohrförmigen Körpers (17) verwendeten Kohlenstoffstahls hergestellt sind.
  2. Rippenrohrwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (18) aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,05% hergestellt sind.
  3. Rippenrohrwärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (18) aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,03% hergestellt sind.
EP93850231A 1993-12-14 1993-12-14 Rippenrohrwärmeaustauscher Expired - Lifetime EP0658736B1 (de)

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