EP0864829A1 - Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgas, und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

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EP0864829A1
EP0864829A1 EP97810137A EP97810137A EP0864829A1 EP 0864829 A1 EP0864829 A1 EP 0864829A1 EP 97810137 A EP97810137 A EP 97810137A EP 97810137 A EP97810137 A EP 97810137A EP 0864829 A1 EP0864829 A1 EP 0864829A1
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EP
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exchange space
piece
housing
spirals
strands
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Reto Schmid
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • 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
    • F28D7/04—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 spirally coiled
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device for recovering heat from flue gas, with a housing enclosing an exchange space with an inlet and an outlet for a first medium, at least one structure that divides this exchange space Direction of this medium, a plurality of cable strands arranged in the exchange space for Passing through a second medium and connected to the wiring harnesses at least a collector and a distributor for summarizing and dividing the Wiring harnesses.
  • the flue gas heat exchanger should be included in the production simple means larger or smaller according to the work to be performed can be.
  • a heat exchanger which is characterized in that that the wiring harnesses are arranged in a spiral in the exchange space.
  • spiral configuration of the cable strands is that the spiral is a represents very dense packing of lines, which expands radially and axially little space needed that is easy to manufacture and does not have to have any connections. Such spirals can be strung together so that different performance requirements correspondingly more or less spirals together form a heat exchange unit.
  • Adjacent spirals advantageously have opposite directions of rotation, which makes it possible the spirals touch each other without allowing the flue gas to flow through prevent. Due to the opposite inclinations of the lines to the tangential direction there are points of contact at which neighboring spirals touch and between them Contact points open areas in which the flue gas can circulate. Automatically a swirling of the flue gas is achieved with a very dense packing of the Wiring harnesses. Due to this opposite direction of rotation and the density of the Packing can usually dispense with a spacing device between the wiring harnesses will. The space required is due to the advantageous arrangement of the wiring harnesses reached.
  • Two spirals are advantageously arranged contiguously with one another. Since that Flue gas first flows centrifugally through the spirals, it is advantageous to centriped it again collect for forwarding to the fireplace. It advantageously flows through a second spiral, which is advantageously related to the first spiral.
  • This transition between the first and second spirals is advantageously arranged peripherally. This allows multiple such strands, each with two coils, to be assembled can be made by sliding one over the other and making the transition between the Spirals of the second line strand over a spiral of the first line strand runs.
  • the wiring harnesses advantageously consist of a single piece and point in the exchange space no connections that offer points of attack for the aggressive flue gas.
  • the inlet and outlet for the flue gas are expediently approximately central and one on the housing Passage between the section body and the housing arranged peripherally, so that the flue gas is fed in the middle area and flows centrifugally through the line strands the periphery from a first hotter to a second cooler zone of the exchange room flows where it flows centripedally through the wiring harnesses around out of the central area to be fed into a fireplace.
  • the flue gas thus flows along the entire length of the Exchange route against the direction of flow of the medium in the line strings, if this is fed on the cooler side of the exchange room. This will distinguish between the both media achieve the greatest possible temperature gradient.
  • the outline body is advantageously a plate that between the two zones in the Exchange room is arranged. It separates the innermost spiral of the hotter zone from the innermost spiral of the cooler zone and forces the flue gas, first between the one spiral of the cable strands to flow to the periphery of the exchange space and then to get back to the center through the other spirals of the cable strands, from where it cools down when it leaves the exchange room.
  • the order of the cable runs is freely selectable, but is expedient on both Sides in the same order, as all wiring harnesses have the same shape can.
  • the distances between the two spirals of a cable run in a heat exchanger constant. Conveniently the sequence during assembly is selected so that one additional wiring harness is connected directly then placed on the previous one.
  • the cable strands are advantageously made of a tube material which has an outside Has plastic surface. This makes the wiring harnesses resistant to the aggressive Flue gases.
  • a metal pipe with a plastic jacket has the advantages that it has the necessary Withstandability in the processing process, the dimensional stability even when heated, the Resistant to the aggressive smoke gases and is diffusion-proof thanks to the metal layer for oxygen.
  • the metal layer can also be very thin, e.g. a slide. These tubes are additional due to their inner plastic surface better protected from corrosion and deposits inside.
  • a commercially available technical three-layer pipe is advantageously used for this, since this is cheaply available thanks to large production quantities. It turned out to be in the development phase of the heat exchanger according to the invention and in tests with prototypes as very suitable. For safety's sake, however, a temperature sensor can preferably be provided, which not only protects against overheating of the plastic of the heat exchanger cable strands, but at the same time the use of a plastic fireplace allows for what deep Flue gas temperatures are recommended.
  • the line strands are preferably led out of the housing and outside Collector and distributor connected. So there are no pipe connections inside the exchange room. However, this requires a large number of pipe penetrations through the housing. If you want to avoid this, you can conveniently collect the item and the distribution piece can be arranged within the exchange space, and only the manifolds be guided through the housing wall.
  • the aim of heat exchangers is to have an inexpensive, small heat exchanger pack with a large exchange surface with no thermal resistance.
  • the thermal resistance of the exchange surfaces can be chosen to be higher than in the case of packs made of more expensive material which take up more space.
  • the choice of technical three-layer pipes with the advantages mentioned is therefore expedient in the tight packing according to the invention of the line strings and the price advantage mentioned, even if the pipe walls of such pipes have a higher thermal resistance than metal pipes.
  • the thermal resistance of the exchange surface should preferably be less than 0.006 m 2 K / W, particularly preferably less than 0.004 m 2 K / W.
  • the bundle of wiring harnesses with an integrated structure by means of spacers create a distance to the housing, fixed in its structure.
  • the resulting package can now be inserted into the exchange room.
  • the ends come with collectible and Distributor connected.
  • the ends of the wiring harnesses can advantageously be outside the Housing to be connected to the collector and distribution piece, and accordingly by the housing must be passed through.
  • the ends can also be within the Exchange room to be connected to the collector and distributor, and then accordingly only the header pipes are led through the housing.
  • the heat recuperator has a housing 13, 21 with a tubular housing body 21 and two frontal ceiling in 13.
  • 21 is the exchange space 47, which is divided into two zones 51 and 53 by a plate-shaped sectional body 49.
  • a plurality of wiring harnesses 31 is spirally wound in these two zones 51 and 53 of the Exchange room 47 arranged.
  • a liquid medium flows through the lines 31 and exchanges heat with a gaseous medium via the pipe walls Counterflow between the line strands 31 flows through exchange space 47.
  • FIG. 1 shows a view of one of the end covers 13 of the recuperator 11.
  • the covers 13 are equipped with stabilization punchings 15, a number of openings 17 for Passage of lines are connected to the housing body 21 and have a Central area arranged nozzle 25 for a flue gas pipe to be connected.
  • At the Cover 13 is attached to the distributor 33 by means of connecting angles 27 and pipe fastenings 29.
  • a cover 13 can also be firmly connected to the housing body 21.
  • the only approach drawn wiring harnesses 31 are connected to the distributor 33 and are through the Openings 17 passed through the lid 13.
  • the openings 17 are with pipe bushings 35, e.g. made of silicone plastic or rubber-like plastics such as "Viton", so that the necessary tightness is guaranteed and to protect the pipes.
  • the housing body 21 is with Supports 37, under which the recuperator can be supported.
  • FIG. 2 shows the recuperator 11 in section.
  • the covers 13 are visible, each with an inlet 41 or an outlet 42 for the flue gas and the housing body 21 with a closable Cleaning opening 39.
  • an outlet 43 for condensate and if necessary, cleaning liquid provided.
  • the exchange space 47 is through the plate-shaped Dividing body 49 divided into two zones, the hotter zone 51 on the left and the cooler one on the right Zone 53.
  • the wiring harness bundle 55 consists of 12 wiring harnesses 31, each with two spirals (e.g. 61 and 65).
  • the first wiring harness 57 begins after the cover 13 is pierced a first inner turn 59.7 turns form a first spiral 61, which with the outermost Turn 63 ends.
  • the direction of rotation of the spirals is not visible. Is the first spiral 61 of the first wiring harness 57 viewed from the right cover 13 clockwise from the inside to the outside, so is that first spiral of the 3rd, 5th, 7th, 9th and 11th wiring harness from the inside to the outside clockwise, the other spirals in the cooler zone 53, however, counterclockwise (flow direction according to arrows 46). This creates adjacent spirals between the crossing tubes Gaps through which the flue gas can flow. The way through this Intermediate spaces are twisted and thereby whirl up the flue gas, which is constantly small Make changes to its flow direction. Where necessary, the tube bundle 55 is at the bottom and laterally on spacers (not shown).
  • the structure of the wiring harness bundle can be advantageous spacers connected to the bundle can be stabilized. It can also be rod-shaped Deposits can be inserted between the turns of the spirals parallel to the axis that said Stabilize structure as well.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 represents the line bundle 75 of a recuperator 11 ' represents, in which a distributor 78 and a collector 77 in the housing 13, 21 are arranged.
  • bundle 75 corresponds exactly to bundle 55.
  • the wiring harnesses are in the central area 79 connected to the collector 77 and the distributor 78.
  • the connections 85 and 87 these pieces 77 and 78 are passed through the housing. In the present case, they are both Terminals 85 and 87 are provided on the same side of the housing with the manifold 78 through which the exchange space dividing plate 89 is passed. However, it is the same expedient to the connections 85 and 87 on opposite sides of the housing to lead.
  • the wire harness bundle 75 can thus be designed symmetrically and the plate 89 must not be pierced.
  • the recorded examples have a length of approx. 22.5 meters for each line. This results in a total length of approx. 270 m.
  • the surface results in a pipe diameter of 20 mm about 17 m 2 , with a heat exchanger size of about 80 cm in diameter and 55 cm in length. This surface can be enlarged very easily by increasing the number of wiring harnesses and more spiral turns. A further handling would result in an enlargement of the surface by approx. 3.4 m 2 with a diameter increase of only 5 cm in the example given.
  • the calculated thermal resistance of the pipe walls of technical three-layer pipes used in the prototypes is in the range between 0.003 and 0.004 m 2 K / W.

Abstract

Vorrichtung (11) zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgas, mit einem einen Austauschraum (47) umhüllenden Gehäuse (21, 13) mit einem Einlass (41) und einem Auslass (42) für ein erstes Medium, einem diesen Austauschraum (47) in zwei Zonen (51, 53) gliedernden plattenförmigen Gliederungskörper (49) zur Lenkung dieses Mediums, einer Mehrzahl im Austauschraum (47) angeordneter spiralförmig vertaufender Leitungsstränge (31) zur Durchleitung eines zweiten Mediums, und einem Sammelstück (45) und einem Verteilstück (33) zum Zusammenfassen und Aufteilen der Leitungsstränge (31), wobei die Leitungsstränge (31) im Austauschraum (47) so angeordnet sind, dass jeder Strang (31) in der kälteren Zone (53) beginnend sich spiralförmig von innen nach aussen entwickelt und in der wärmeren Zone (51) wieder von aussen nach innen. Der plattenförmige Gliederungskörper (49) zwingt das Rauchgas vom im zentralen Bereich angeordneten Einlass (41) her zentrifugal durch die eine Seite eines Bündels (55) von Leitungssträngen (31) zu strömen, peripher zur kühleren Zone (53) zu wechseln und dort wieder mit einer zentripedalen Bewegung durch die zweite Seite des Bündels (55) hindurch dem im zentralen Bereich angeordneten Auslass (23) zuzuströmen. Der Wärmetauscher (11) weist lange Leitungsstränge (31) auf mit einem Kunststoffüberzug zum Schutz vor Korrosion, die innerhalb oder ausserhalb des Austauschraumes (47) zusammengefasst werden. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgas, mit einem einen Austauschraum umhüllenden Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für ein erstes Medium, mindestens einem diesen Austauschraum gliedernden Gliederungskörper zur Lenkung dieses Mediums, einer Mehrzahl im Austauschraum angeordneter Leitungsstränge zur Durchleitung eines zweiten Mediums, und angeschlossen an die Leitungsstränge mindestens einem Sammelstück und einem Verteilstück zum Zusammenfassen und Aufteilen der Leitungsstränge.
Bei der Vielzahl bestehender Rauchgaswärmetauscher sind die Hersteller immer wieder damit konfrontiert, dass Rauchgas ein aggressives Medium ist. Die Aggressivität des Mediums fordert resistente Materialien und saubere und unempfindliche Verbindungen der Leitungen. Die Herstellung von unempfindlichen Verbindungen ist dadurch erschwert, dass grosse Oberflächen auf keinem Raum anzuordnen und damit dichte Packungen zu erstellen sind. Im Bereich von Kleinanlagen, wie sie z.B. in Gebäudeheizungen für Ein- und Mehrfamilienhäuser zu Tausenden vorhanden sind und nachträglich mit einem Wärmetauscher versehen werden können, ist zudem dem Platzbedarf für einen Wärmetauscher besondere Beachtung zu schenken, da in der Regel die Distanz zwischen Kessel und Kamin sehr begrenzt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rauchgaswarmetauscher vorzuschlagen, der insbesondere in der Längsrichtung kompakte Abmessungen aufweist, nur wenige, überwachbare und servicefeundlich angeordnete, oder gar keine Verbindungen im Rauchgasbereich besitzt und günstig in der Herstellung ist. Zudem soll der Rauchgaswärmetauscher bei der Herstellung mit einfachen Mitteln entsprechend der zu erbringenden Leistung grösser oder kleiner dimensioniert werden können.
Erfindungsgemäss wird dies durch einen Wärmetauscher erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leitungsstränge im Austauschraum spiralförmig vertaufend angeordnet sind.
Der Vorteil einer spiralförmigen Ausbildung der Leitungsstränge liegt darin, dass die Spirale eine sehr dichte Packung von Leitungen darstellt, die sich radial ausdehnt und axial wenig Platz benötigt, die einfach herzustellen ist und keine Verbindungen aufweisen muss. Solche Spiralen können aneinandergereiht werden, so dass unterschiedlichen Leistungsanforderungen entsprechend mehr oder weniger Spiralen zusammen eine Wärmetauscheinheit bilden.
Vorteilhaft weisen benachbarte Spiralen entgegengesetzte Drehrichtungen auf, wodurch es möglich wird, dass die Spiralen sich berühren, ohne dadurch ein Hindurchströmen des Rauchgases zu verhindern. Durch die entgegengesetzten Neigungen der Leitungen zur Tangentialrichtung entstehen Berührungspunkte, an denen sich benachbarte Spiralen berühren und zwischen diesen Berührungspunkten offene Bereiche, in denen das Rauchgas zirkulieren kann. Automatisch wird eine Verwirbelung des Rauchgases erreicht bei gleichzeitig sehr dichter Packung der Leitungsstränge. Durch diese Gegenläufigkeit der Drehrichtung und die damit erreichte Dichte der Packung kann in der Regel auf eine Abstandvorrichtung zwischen den Leitungssträngen verzichtet werden. Der benötigte Zwischenraum wird durch die vorteilhafte Anordnung der Leitungsstränge erreicht.
Vorteilhaft sind jeweils zwei Spiralen miteinander zusammenhängend angeordnet. Da das Rauchgas zuerst zentrifugal durch die Spiralen strömt, ist es vorteilhaft, es wieder zentripedal zu sammeln für die Weiterieitung ins Kamin. Vorteilhaft durchströmt es dabei eine zweite Spirale, welche vorteilhaft mit der ersten Spirale zusammenhängt.
Dieser Übergang zwischen der ersten und zweiten Spirale ist vorteilhaft peripher angeordnet. Dies ermöglicht, dass mehrere solcher Leitungsstränge, jeder mit zwei Spiralen, zusammengestellt werden können, indem einer über den anderen geschoben wird und der Übergang zwischen den Spiralen des zweiten Leitungsstranges über eine Spirale des ersten Leitungsstranges hinweg verläuft.
Vorteilhaft bestehen die Leitungsstränge aus einem einzigen Stück und weisen im Austauschraum keine Verbindungen auf, welche dem aggressiven Rauchgas Angriffspunkte bieten.
Zweckmässigerweise sind Einlass und Auslass für das Rauchgas am Gehäuse etwa zentral und ein Durchlass zwischen Gliederungskörper und Gehäuse peripher angeordnet, so dass das Rauchgas im mittleren Bereich zugeführt wird und zentrifugal durch die Leitungsstränge hindurchströmt, an der Peripherie von einer ersten heisseren in eine zweite kühlere Zone des Austauschraumes strömt, wo es zentripedal durch die Leitungsstränge strömt um aus dem mittleren Bereich heraus einem Kamin zugeführt zu werden. Damit strömt das Rauchgas auf der ganzen Länge der Austauschstrecke gegen die Strömungsrichtung des Mediums in den Leitungssträngen, sofern dieses auf der kühleren Seite des Austauschraumes zugeführt wird. Dadurch wird zwischen den beiden Medien das grösstmögliche Temperaturgefälle erreicht.
Vorteilhaft ist der Gliederungskörper eine Platte, die zwischen den beiden Zonen im Austauschraum angeordnet ist. Sie trennt die innerste Spirale der heisseren Zone von der innersten Spirale der kühleren Zone und zwingt das Rauchgas, zuerst zwischen den einen Spiralen der Leitungsstränge hindurch an die Peripherie des Austauschraumes zu strömen und danach wieder durch die anderen Spiralen der Leitungsstränge hindurch ins Zentrum zu gelangen, von wo es abgekühlt den Austauschraum verlässt.
Die Reihenfolge der Leitungsstränge ist frei wählbar, doch ist zweckmässigerweise auf beiden Seiten die gleiche Reihenfolge zu wählen, da so alle Leitungsstränge die gleiche Gestalt aufweisen können. Insbesondere sind durch die gleichbleibende Reihenfolge die Abstände zwischen den beiden Spiralen eines Leitungsstranges in einem Wärmetauscher konstant. Zweckmässigerweise wird die Reihenfolge bei der Montage so gewählt, dass jeweils ein weiterer Leitungsstrang direkt anschliessend an den vorangegangenen platziert wird.
Vorteilhaft sind die Leitungsstränge aus einem Rohrmaterial gefertigt, welches aussen eine Kunststoffoberfläche aufweist. Dadurch sind die Leitungsstränge resistent gegen die aggressiven Rauchgase. Ein Metallrohr mit Kunststoffummantelung hat die Vorteile, dass es die nötige Vertormbarkeit im Verarbeitungsprozess, die Formbeständigkeit auch in erhitztem Zustand, die Resistenz gegen die aggressiven Rauchgase besitzt und dank der Metallschicht diffusionsdicht ist für Sauerstoff.
Vorteilhaft können dreischichtige Rohre Verwendung finden. Die Metallschicht kann dabei auch sehr dünn sein, z.B. eine Folie. Diese Rohre sind durch ihre innere Kunststoffoberfläche zusätzlich innen besser geschützt vor Korrosion und Ablagerungen.
Mit Vorteil wird dafür ein im Handel erhältliches technisches Dreischichtrohr verwendet, da dieses dank grosser Produktionsmengen günstig erhältlich ist. Es erwies sich in der Entwicklungsphase des erfindungsgemässen Wärmetauschers und in Versuchen mit Prototypen als sehr gut geeignet. Vorzugsweise kann jedoch sicherheitshalber ein Temperaturfühler vorgesehen sein, der nicht nur vor einer Überhitzung des Kunststoffes der Wärmetauscher-Leitungsstränge schützt, sondern gleichzeitig die Verwendung eines Kunststoffkamins ermöglicht, was für tiefe Rauchgastemperaturen empfohlen ist.
Vorzugsweise sind die Leitungsstränge aus dem Gehäuse hinausgeführt und ausserhalb an Sammelstück und Verteilstück angeschlossen. So gibt es keine Verbindungen von Rohrleitungen innerhalb des Austauschraumes. Dies erfordert jedoch eine Vielzahl von Rohrdurchführungen durch das Gehäuse. Möchte man diese vermeiden, können zweckmässigerweise das Sammelstück und das Verteilstück innerhalb des Austauschraumes angeordnet sein, und nur die Sammelrohre durch die Gehäusewand geführt sein.
Angestrebt wird bei Wärmetauschern eine günstige, kleine Wärmetauscherpackung mit einer grossen Austauschoberfläche mit keinem Wärmedurchgangswiderstand. Bei kostengünstig herstellbaren grossen Oberflächen zwischen den beiden wärmetauschenden Medien und bei dichten Packungen kann der Wärmedurchgangswiderstand der Austauschflächen höher gewählt werden als bei mehr Platz beanspruchenden Packungen aus teurerem Material. Die Wahl von technischen Dreischichtrohren mit den erwähnten Vorteilen ist deshalb bei der erfindungsgemässen dichten Packung der Leitungsstränge und dem erwähnten Preisvorteil zweckmässig, auch wenn die Rohrwandungen solcher Rohre einen im Vergleich mit Metallrohren höheren Wärmedurchgangswiderstand aufweisen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Platzbedarfs sollte der Wärmedurchgangswiderstand der Austauschfläche bevorzugt kleiner 0.006 m2K/W, besonders bevorzugt kleiner 0.004 m2K/W sein.
Für die Herstellung der spiralförmigen Leitungsstränge wird zweckmässigerweise so vorgegangen, dass die Enden eines Rohrstücks in eine Drehmaschine eingespannt werden und gleichzeitig zwei Spiralen aufgewickelt werden. Der Abstand zwischen den beiden normal zur Drehachse sich entwickelnden Spiralen ist durch die Anzahl der vorgesehenen Leitungsstränge und den Rohrdurchmesser bestimmt, wobei der Gliederungskörper und ein gewisser Spielraum zwischen den Strängen, zwischen den Strängen und dem Gliederungskörper sowie zwischen den Strängen und dem Gehäuse berücksichtigt werden muss. Zweckmässigerweise wird der Gliederungskörper nicht in das Gehäuse eingebaut, sondern es werden die Leitungsstränge einer um den andern abwechslungsweise von der einen Seite her links drehend und von der andern rechts drehend ineinander geschoben, so dass das den Übergang herstellende Leitungsstück über die einen Spiralen der zuvor eingebrachten Leitungsstränge hinweg verläuft; und dann wird der Gliederungskörper in der Mitte zwischen die beiden Spiralbündel geschoben. Zweckmässigerweise wird das Leitungsstrangbündel mit integriertem Gliederungskörper mittels Abstandhaltern, die einen Abstand zum Gehäuse schaffen, in seiner Struktur befestigt. Das damit entstandene Paket kann nun in den Austauschraum eingeschoben werden. Die Enden werden mit Sammelstück und Verteilstück verbunden. Es können vorteilhaft die Enden der Leitungsstränge ausserhalb des Gehäuses an Sammel- und Verteilstück angeschlossen werden, wobei sie dementsprechend durch das Gehäuse hindurch geführt werden müssen. Die Enden können aber auch innerhalb des Austauschraumes an Sammel- und Verteilstück angeschlossen werden, und dann entsprechend nur die Sammelrohre durch das Gehäuse geführt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig.1
die Ansicht eines Deckels eines Wärmerekuperators mit aussen liegendem Sammelstück und Verteilstück
Fig.2
einen Vertikalschnitt durch den Wärmerekuperator mit aussen liegendem Sammelstück und Verteilstück
Fig.3
im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Wärmerekuperators mit innen liegendem Sammelstück und Verteilstück
Der Wärmerekuperator weist ein Gehäuse 13,21 mit einem rohrförmigen Gehäusekörper 21 und zwei stirnseitigen DeckeIn 13 auf. In diesem Gehäuse 13,21 ist der Austauschraum 47, welcher durch einen plattenförmigen Gliederungskörper 49 in zwei Zonen 51 und 53 gegliedert ist. Eine Mehrzahl von Leitungssträngen 31 ist spiralig gewunden in diesen beiden Zonen 51 und 53 des Austauschraumes 47 angeordnet. Ein flüssiges Medium fliesst durch die Leitungsstränge 31 und tauscht über die Rohrwandungen Wärme mit einem gasförmigen Medium aus, welches im Gegenstrom zwischen den Leitungssträngen 31 durch Austauschraum 47 strömt.
Figur 1 zeigt eine Ansicht eines der stimseitigen Deckel 13 des Rekuperators 11. Die Deckel 13 sind ausgerüstet mit Stabilisationsstanzungen 15, einer Anzahl von Öffnungen 17 zur Durchführung von Leitungen, sind mit dem Gehäusekörper 21 verbunden und weisen einen im zentralen Bereich angeordneten Stutzen 25 für ein anzuschliessendes Rauchgasrohr auf. Am Deckel 13 ist mittels Anschlusswinkeln 27 und Rohrbefestigungen 29 das Verteilstück 33 befestigt. Ein Deckel 13 kann auch fest mit dem Gehäusekörper 21 verbunden sein. Die nur im Ansatz gezeichneten Leitungsstränge 31 sind am Verteilstück 33 angeschlossen und sind durch die Öffnungen 17 im Deckel 13 hindurchgeführt. Die Öffnungen 17 sind mit Rohrdurchführungen 35, z.B. aus Silikon-Kunststoff oder kautschukähnlichen Kunststoffen wie "Viton", versehen, damit die notwendige Dichtheit gewährleistet ist und zum Schutz der Rohre. Der Gehäusekörper 21 ist mit Auflagern 37 versehen, unter denen der Rekuperator abgestützt werden kann.
Figur 2 zeigt den Rekuperator 11 im Schnitt. Sichtbar sind die Deckel 13 mit je einem Einlass 41 bzw. einem Auslass 42 für das Rauchgas und der Gehäusekörper 21 mit einer verschliessbaren Reinigungsöffnung 39. Zudem ist an einem der Deckel 13 ein Ablauf 43 für Kondensat und allenfalls Reinigungsflüssigkeit vorgesehen. Der Austauschraum 47 wird durch den plattenförmigen Gliederungskörper 49 in zwei Zonen unterteilt, links die heissere Zone 51 und rechts die kühlere Zone 53. Das Leitungsstrangbündel 55 besteht aus 12 Leitungssträngen 31 mit je zwei Spiralen (z.B. 61 und 65). Der erste Leitungsstrang 57 beginnt nach dem Durchstossen des Deckels 13 mit einer ersten inneren Windung 59.7 Windungen bilden eine erste Spirale 61, die mit der äussersten Windung 63 endet. Es besteht ein nicht dargestellter Übergang zur zweiten Spirale 65, indem ein etwa horizontal verlaufendes Stück des Leitungsstrangs 31 über die 11 weiteren ersten Spiralen und den plattenförmigen Gliederungskörper 49 hinweg führt. Der Leitungsstrang 31 windet sich dann von der äussersten Windung 67 zur innersten Windung 69, von wo das Ende des Leitungsstranges 31 durch die Wandung hindurch geführt und am Sammelstück 45 angeschlossen ist. Entsprechend verlaufen die 11 weiteren Leitungsstränge vom zweiten Leitungsstrang 70 bis zum letzten Leitungsstrang 71. Wenn nun die Wärmetauschflüssigkeit im Rohrbündel 55 vom Verteilstück 33 zum Sammelstück 45 durch den Austauschraum 47 strömt (Pfeile 46), so strömt Rauchgas vom Einlass 41 links zum Auslass 42 rechts im Gegenstrom (Pfeile 48). Die Laufrichtungen können auch umgekehrt sein. Das Gegenstromprinzip ist in beiden Fällen auf der ganzen Länge gewährleistet. Wenn die kalte Flüssigkeit zuerst eine zentrifugale Bewegung macht, so strömt ihr in der kühleren rechten Zone 53 das in der linken Zone 51 bereits etwas abgekühlte Rauchgas zentripedal entgegen. In der heisseren linken Zone 51 strömt die aufgewärmte Flüssigkeit zentripedal den sich zentrifugal ausdehnenden heissen Rauchgasen entgegen.
Nicht sichtbar ist die Drehrichtung der Spiralen. Ist die erste Spirale 61 des ersten Leitungsstranges 57 vom rechten Deckel 13 her geschaut von innen nach aussen rechtsdrehend, so ist auch die erste Spirale des 3., 5., 7., 9. und 11. Leitungsstranges von innen nach aussen rechtsdrehend, die andern Spiralen in der kühleren Zone 53 hingegen linksdrehend (Strömungsrichtung gem. Pfeilen 46). Damit entstehen zwischen den sich kreuzenden Rohren benachbarter Spiralen Zwischenräume, durch die das Rauchgas hindurchströmen kann. Der Weg durch diese Zwischenräume ist gewunden und verwirbelt dadurch das Rauchgas, das dauernd kleine Änderungen seiner Strömungsrichtung vornehmen muss. Wo nötig liegt das Rohrbündel 55 unten und seitlich auf Distanzhaltern (nicht dargestellt) auf. Diese können mit dem Gehäuse 21 oder mit dem Rohrbündel 55 verbunden sein. Mit Vorteil kann die Struktur des Leitungsstrangbündels durch mit dem Bündel verbundene Distanzhalter stabilisiert werden. Es können auch stabförmige Einlagen zwischen den Windungen der Spiralen parallel zu Achse eingeführt sein, die die besagte Struktur ebenfalls stabilisieren.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 stellt das Leitungsstrangbündel 75 eines Rekuperators 11' dar, bei dem ein Verteilstück 78 und ein Sammelstück 77 im Gehäuse 13, 21 angeordnet sind. Das Bündel 75 entspricht ansonsten genau dem Bündel 55. Die Leitungsstränge sind im Zentralbereich 79 an das Sammelstück 77 und das Verteilstück 78 angeschlossen. Die Anschlüsse 85 und 87 dieser Stücke 77 und 78 sind durch das Gehäuse geführt. Im vorliegenden Fall sind beide Anschlüsse 85 und 87 auf derselben Seite des Gehäuses vorgesehen, wobei das Verteilstück 78 durch die den Austauschraum gliedernde Platte 89 hindurchgeführt ist. Es ist jedoch ebenso zweckmässig, die Anschlüsse 85 und 87 auf gegenüberliegenden Seiten aus dem Gehäuse zu führen. Das Leitungsstrangbündel 75 kann so symmetrisch gestaltet sein und die Platte 89 muss nicht durchstossen werden.
Die aufgezeichneten Beispiele weisen eine Länge jeden Leitungsstranges von ca. 22, 5 Metern auf. Das ergibt eine Gesamtlänge von ca. 270 m. Die Oberfläche ergibt bei einem Rohrdurchmesser von 20 mm etwa 17 m2, bei einer Wärmetauschergrösse von ca. 80 cm Durchmesser und 55 cm Länge. Sehr einfach kann diese Oberfläche vergrössert werden durch eine Erhöhung der Anzahl von Leitungssträngen und durch mehr Spiralumgänge. Ein weiterer Umgang ergäbe beim angeführten Beispiel eine Vergrösserung der Oberfläche um ca. 3,4 m2 bei einer Durchmesserzunahme von lediglich 5 cm.
Der berechnete Wärmewiderstand der Rohrwandungen von in den Prototypen verwendeten technischen Dreischichtrohren liegt im Bereich zwischen 0,003 bis 0,004 m2K/W.

Claims (20)

  1. Vorrichtung (11) zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgas, mit einem einen Austauschraum (47) umhüllenden Gehäuse (21, 13) mit einem Einlass (41) und einem Auslass (42) für ein erstes Medium, mindestens einem diesen Austauschraum (47) gliedernden Gliederungskörper (49) zur Lenkung dieses Mediums, einer Mehrzahl im Austauschraum (47) angeordneter Leitungsstränge (31) zur Durchleitung eines zweiten Mediums, und angeschlossen an die Leitungsstränge (31) mindestens einem Sammelstück (45) und einem Verteilstück (33) zum Zusammenfassen und Aufteilen der Leitungsstränge (31), dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsstränge (31) im Austauschraum (47) spiralförmig vertaufend angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralen benachbarter Leitungsstränge (31) entgegengesetzte Drehrichtungen aufweisen.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsstrang (57) jeweils aus zwei zusammenhängenden Spiralen (61, 65) besteht.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei zusammenhängenden Spiralen (61, 65) eines Leitungsstranges (57) peripher zusammenhängen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsstrang (31) jeweils aus einem einzigen, ununterbrochenen Stück besteht.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (41) und der Auslass (42) im zentralen Bereich am Deckel (13) und ein Durchlass (40) zwischen Gliederungskörper (49) und Gehäuse (21) peripher im Austauschraum (47) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gliederungskörper (49) eine Platte ist, die den Austauschraum (47) in eine heissere Zone (51) und eine kältere Zone (53) teilt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der zwei zusammenhängenden Spiralen (61, 65) eines Leitungsstranges (57) in der heisseren Zone (51) und eine in der kälteren Zone (53) des Austauschraumes (47) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der Leitungsstränge (31) in beiden Zonen (51, 53) gleich ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen der Leitungsstränge (31) auf den vom ersten Medium umflossenen Aussenseiten eine Kunststoffoberfläche aufweisen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen Metallrohre mit Kunststoffummantelung sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rohrleitungen Kunststoffrohre mit im Kunststoff eingebetteter Metallfolie sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen eine Metallschicht und aussen und innen eine Kunststoffoberfläche aufweisen.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsstränge (31) einzeln durch das Gehäuse (21, 13) hindurchgeführt und das Sammelstück (45) und das Verteilstück (33) ausserhalb des Austauschraumes (47) angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelstück (45) und das Verteilstück (33) im Austauschraum (47) angeordnet sind und die Sammelrohre (85, 87) durch das Gehäuse (21, 13) hindurch geführt sind.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgas gemäss einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungsstücke mit beiden Enden mit Abstand zueinander in eine Drehmaschine eingespannt und spiralförmig aufgewickelt werden, so dass jeweils zwei an deren Peripherie zusammenhängende gleichdrehende Spiralen einen aus einem Rohrstück gefertigten Leitungsstrang (31) bilden, und diese Leitungsstränge (31) so über einen plattenförmigen Gliederungskörper (49) aufgereiht werden, dass die Spiralen (61, 65) eines Leitungsstranges (57) auf verschiedenen Seiten des Gliederungskörpers (49) zu liegen kommen und deren Zusammenhang um den Gliederungskörper (49) herum besteht, dass dieses Leitungsstrangbündel (55) mit dem plattenförmigen Gliederungskörper (49) zusammen in einen Austauschraum (47) in einem Gehäuse (21, 13) eingebaut wird, so dass der Gliederungskörper (49) den Austauschraum (47) in eine heissere Zone (51) und eine kältere Zone (53) teilt, und dass die Enden der Leitungsstränge (31) an ein Sammelstück (45) und ein Verteilstück (33) angeschlossen werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufreihung der Leitungsstränge (31) diese abwechselnd senkrecht zur Spiralachse um 180° gedreht werden und dann so zusammengestellt werden, dass sich benachbarte Spiralen gegenläufig drehen.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei zusammenhängenden Spiralen (61, 65) entsprechend der Anzahl von Leitungssträngen (31) und deren Rohrdurchmesser bemessen wird und eine Mehrzahl von Leitungssträngen (31) den Austauschraum (47) ausfüllend eingebaut wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Leitungsstränge (31) vor dem Anschliessen an das Sammelstück (45) und das Verteilstück (33) durch Öffnungen (17) im Gehäuse (21, 13) hindurch aus dem Gehäuse hinaus geführt werden.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Leitungsstränge (31) im Austauschraum (47) an das Sammelstück (77) und das Verteilstück (78) angeschlossen werden und daran die angeschlossene Zuleitung (87) und Ableitung (85) aus dem Gehäuse geführt werden.
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