NO303151B1 - Varmevekslerr÷r for varmekjeler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et varmevekslerrør for varmekjeler, spesielt for gassforbrenningskjeler, i samsvar med ingressen til krav 1.

Ved forbrenningskjeler, som hovedsakelig forekommer ved varmekjeler drevet med gassfyring, avkjøles forbrenningsgassene inntil kondensering av avgassfuktigheten, for også å utnytte kondensasjonsvarmen. Det er en forutsetning for dette at varmekjelen drives med en kjelevannstemperatur, som ved slutten av forbrenningsgassveien gjennom varmekjelen er lavere enn forbrenningsgassenes duggpunkttemperatur. Man bestreber seg på, på en kortest mulig vei for forbrenningsgassene gjennom varmekjelens kjølte varmevekslerrør å avkjøle forbrenningsgassene fra den høye innløpstemperaturen, som ved dagens gassbrennere kan ligge på omtrent 850°C, til mellom duggpunkt-temperaturen og den ved varmekjelens varmtvannsreturløp med for eksempel 30°C herskende laveste kjelevannstemperaturen. For dette er det kjent varmevekslerrør, som består av et sylindrisk glattvegget ytterrør av et mot avgasskondensatets syrekorrosjons-bestandig stål og en i ytterrøret innskjøvet, i tverrsnitt stjerneformet profilinnsats av aluminium. For varmekjeler av den mest brukte konstruksjonen må ytterrøret bestå av stål, for ved sine ender å kunne sveises til rørbunner henholdsvis rørplater, som adskiller kjelevannsrommet som omgir varmevekslerrøret på den ene siden fra brennkammeret og på den andre siden fra varmekjelens avgass-samler. Det sammensatte røret av stålytter-rør og aluminiumprofilinnsats kan påkjennes med høye gassinnløpstemperaturer, da aluminium har en større utvidelseskoeffisient enn stål, slik at profilinnsatsen på sine berøringssteder med ytterrøret med stigende temperatur og høyere trykk forblir i varmeledende kontakt med ytterrøret. Ved det kjente sammensatte røret er varmeovergangen fra den stjerneformede aluminiumprofilinnsatsen til stålytterrøret bestemt og begrenset av at profilinnsatsen kun berører ytterrøret på profilinnsatsens stråleformede armers kamflater, som i tverrsnitt er forholdsvis tynnveggede, for å frigjøre et tilstrekkelig åpent tverrsnitt i ytterrøret for forbrenningsgasstrømning. Det har videre vist seg nødvendig for innsveising av stålytterrøret i rørplatene at den stjerneformede aluminiumprofilinnsatsen må være tilstrekkelig trukket tilbake fra ytterrørets ender for å forhindre at aluminiumprofilinnsatsens stråleformede armer ødelegges på grunn av den ved ytterrørendene oppstående sveisevarmen.

Oppfinnelsen har til oppgave å tilveiebringe et varmevekslerrør av den innledningsvis nevnte typen, som muliggjør en enda større varmeoverføirngsytelse fra forbrenningsgassene til kjelevannet og som kan fremstilles på enkel måte samt kan bearbeides videre ved innbygging i en varmekjele. Denne oppgaven løser oppfinnelsen ved utforming av varmevekslerrøret laget som sammensatt rør av stålytterrør og aluminiumprofilinnsats med de kjennetegnende trekk i krav 1.

Den rørlegemeformede profilinnsatsen i varmevekslerrøret ifølge oppfinnelsen kan på den ene siden være utformet med en svært stor innvendig overflate som tar opp varme fra forbrenningsgassene, fortrinnsvis med på innsiden av de to halvskallene kamaktige anordnede ribber, og ligger fremfor alt til sammenligning med de kjente stjerneprofilene med en vesentlig større ytteroverflate an mot det vannkjølte stålytterrørets innside, hvorigjennom varmeoverføirngsytelsen fra forbrenningsgassene til kjelevannet økes betydelig. Det ble fastslått i forsøk at ved en forbrenningskjel, ved hvilken returvarmt-vannet ved innløpet i varmekjelen har en vanntemperatur på omtrent 30°C, med et rør-anlegg i samsvar med varmevekslerrøret ifølge oppfinnelsen på kun 50 cm, kan det oppnås at de med en temperatur på omtrent 850°C i varmevekslerrøret innstrømmende forbrenningsgassene i varmevekslerrøret ifølge oppfinnelsen kan kjøles ned til en kun noe over returvanntemperaturen liggende utløpstemperatur på omtrent 48°C. Dette fremragende resultatet har ikke vært oppnådd med et hittil kjent og for forbrenningskjeler anvendelig varmevekslerrør. Den korte lengden av varmevekslerrøret fører til en ytterligere vesentlig fordel, at forbrenningskjelen ved vertikal anordning av varme-vekslerrøret totalt kan utformes lavere, henholdsvis ved horisontal anordning av varme-vekslerrøret kan utformes kortere og dermed romsparende. På grunn av utformingen av profilinnsatsen med en stor berøringsoverflate mot ytterrøret og med en stor varmeflate-tetthet i det indre kan den rørformede profilinnsatsen ved oppdeling i to halvskall, og ved utformingen av hvert halvskall med sine ribber, fremstilles enkelt og prisgunstig som en mot den ene siden åpen profil. For fremstillingen ved hjelp av strengpresse er det ikke nødvendig med en såkalt flyvende kjerne i trekkmatrisen, som derfor blir billigere og også mer holdbar. Som en spesiell fordel har det også for den ytterligere bearbeidingen av varmevekslerrøret ifølge oppfinnelsen, henholdsvis for innbygningen i en varmekjel, vist seg at ved innsveising av ytterrøret i en rørplate, takket være den ekstremt store varmeovergangskontaktflaten og varmebortledningsevnen til profilinnsatsen, oppstår det ingen ødeleggelse av aluminiumprofilinnsatsen, når profilinnsatsens ende når helt frem i samme plan som ytterrørets ende som skal sveises til rørplaten. Varmevekslerrøret trenger altså ikke lenger å fremstilles med profilinnsats-ender som er trukket tilbake i forhold til ytterrørendene, men kan for innbyggingen i en varmekjel adskilles med et enkelt rett snitt i nødvendig lengde fra en fremstilt lengre metervare. Utformingen av lengdekantene som berører hverandre på de to halvskallene med en slags labyrinttetning bestående av sporformede fordypninger og ribbeaktige fremspring forhindrer en spaltdannelse, gjennom hvilken avgass eller kondensat kan trenge inn mellom aluminiumprofilinnsatsen og stålytterrøret og kan føre til en spaltkorrosjon. Når profilinnsatsen i den enkleste utførelsesformen av varmeveksler-røret ifølge oppfinnelsen ligger umiddelbart an mot rørlegemets totale omkretsflate på ytterrøret, kan fremstillingen av varmevekslerrøret skje på enkel måte ved at rørlegemet har en ytterdiameter som hovedsakelig tilsvarer ytterrørets innvendige diameter og kun er så mye mindre at rørlegemet uten anstrengelser kan skyves inn i ytterrøret, og at deretter ytterrøret ved en permanent sammentrykningsdeformasjon av hele ytterrør-omkretsen, for eksempel ved en valse eller trekkprosess, trykkes sammen radielt og trykkes mot aluminiumprofilinnsatsen. Herigjennom presses de to halvskallenes lengdekanter som berører hverandre, sammen samt rørlegemet og ytterrøret slik at det ikke eksisterer noen spalte. Dette er også viktig for frontsidene av de gjennom rørplatene ragende endene av varmevekslerrøret, for at det heller ikke her skal kunne trenge inn noe avgass eller kondensat mellom aluminiumprofilinnsatsens rørlegeme og stålytterrøret.

I de uselvstendige krav er det angitt fordelaktige videreutviklinger av varmevekslerrøret ifølge oppfinnelsen. I tegningen er det fremstilt forskjellige utførelseseksempler av varmevekslerrøret ifølge oppfinnelsen. Her viser: Figur 1 en utførelsesform av varmevekslerrøret med en umiddelbart mot stålytterrøret liggende aluminiumprofilinnsats,

figur 2 en utførelsesform ifølge figur 1 med et enkelt ytterligere tiltak for forstørrelse av den innvendige overflate,

figur 3 en utførelsesform med en via en mellomprofil mot ytterrøret liggende profilinnsats ifølge figur 1.

Det i figur 1 viste varmevekslerrøret består av et sylindrisk, glattvegget ytterrør 1 av et korrosjonsfast kromstål og en profilinnsats 2 av aluminium. Profilinnsatsen 2 dannes av et rørlegeme, som er oppdelt i to halvskall 3, 4 i et gjennom ytterrørlengdeaksen forløpende deleplan. På skallenes innerside er de to halvskallene 3, 4 utformet med ribber 5, som strekker seg i ytterrørets 1 lengderetning, og rager slik inn i rørlegemets åpne tverrsnitt at hvert halvskall 3,4 med sine ribber 5 danner en mot den ene siden åpen profil, slik at halvskallene med sine ribber kan fremstilles enkelt og billig med et strengpresseverktøy, henholdsvis en trekkmatrise, uten en såkalt flyvende kjerne. På en spesielt fordelaktig måte er ribbene 5, slik som utførelseseksempelet i figur 1 viser, anordnet kamaktig og stående vinkelrett på deleplanet på innsiden av de to halvskallene 3,4, hvorved ribbene 5 i de to halvskallene 3, 4 strekker seg parvis mot hverandre og inn til eller i det minste til nær deleplanet. Spesielt ved denne kamaktige anordningen av ribbene 5 kan ribbene ved strengpressefremstilling av halvskallene forsynes med en i ytterrørets 1, henholdsvis halvskallenes 3,4, lengderetning forløpende rifleaktig overflateprofilering, som gir en svært virksom forstørrelse av den av forbrenningsgassene påvirkede, varmeopptagende innvendige overflate av profilinnsatsen 2. På sine i delingsplanet hverandre berørende lengdekanter 6 er de to halvskallene 3, 4 utformet med sporformede fordypninger 7 og ribbeaktige fremspring 8, som strekker seg i hverandre vinkelrett på deleplanet og med hvilke lengdekantene griper inn i hverandre som en labyrinttetning. Avtetningen av de to berøringsstedene mellom halvskall-lengdekantene er viktig, for at det ikke skal oppstå noen spalte, gjennom hvilken avgass eller kondensat trenger inn mellom profilinnsatsens 2 rørlegeme og ytterrøret 1 og der fører til en spaltkorrosjon. Når de to halvskallene, slik som figur 1 anskueliggjør, er utformet med på den ene lengdekanten en sporformet fordypning og på den andre lengdekanten et ribbeaktig fremspring, kan de to halvskallene avdeles fra den samme ved strengpressing fremstilte profilstrengen i de nødvendige lengder, idet det ene halvskallet snudd 180° om lengdeaksen passer inn i det andre halvskallet. Figur 1 viser, for tydeliggjøring av varmevekslerrøret, dette i en enda ikke ferdigstilt tilstand. Det av de to halvskallene 3,4 sammenføyde rørlegemet, som ved utførelseseksempelet i figur 1 ligger umiddelbart an med hele sin omkretsflate mot ytterrøret 1, er fremstilt med en ytterdiameter, som er noe mindre enn ytterrørets innvendige diameter, for at rørlegemet henholdsvis profilinnsatsen 1 skal la seg skyve uten problemer inn i ytterrøret. Deretter underkastes ytterrøret en varig radiell sammentrykningsdeformasjon på hele sin omkrets ved en valse eller trekkeprosess, for å trykke ytterrøret og profilinnsatsen mot hverandre for å oppnå en for varmeoverføringen viktig intensiv kontakt mellom hele ytterrørets innvendige flate og hele profilinnsatsens utvendige flate. Gjennom dette sammen-presses også de med fordypninger og fremspring i hverandre gripende lengdekanter på de to halvskallene slik at det ikke gjenstår noen spalte og disse blir absolutt tette mot avgass eller kondensat, slik at ikke engang i et mikroslip av tverrsnittet av det ferdige varmevekslerrøret kan det fastslås en søm mellom halvskallenes lengdekanter. Den spaltfrie sammentrykkingen av ytterrøret og profilinnsatsen mot de hverandre berørende omkretsflatene forhindrer videre at avgass eller kondensat kan trenge inn mellom ytterrøret og profilinnsatsen på frontsiden av et i en varmekjel innbygget varmeveksler-rør. Den ekstremt høye varmeoverføringsevnen for varmevekslerrøret mellom profilinnsatsen og ytterrøret virker også overraskende fordelaktig inn på den omvendte varmeflyten ved innsveising av varmevekslerrørendene i rørbunner henholdsvis rørplater i en varmekjele. Innsveisingsforsøk har vist at også ved fluktende frontsider av aluminiumsprofilinnsatsen med kromstålytterrøret hverken beskadiges eller bortsmelter aluminiumet i noen betydelig grad, selv om krumstålytterrøret må forbindes med varmekjelens rørplate ved hjelp av flytende sveisemateiralsmelte. Varmevekslerrøret kan derfor adskilles fra et ferdig fremstilt varmevekslerrør i metervare med et enkelt rett dele- eller sagesnitt eller lignende i de for en varmekjel nødvendige lengder.

Figur 2 viser et utførelseseksempel lignende det som er vist i figur 1, ved hvilket de kamaktig anordnede ribbenes 5 spisser opprettholder en slik avstand i forhold til hverandre at en plateformet flatprofil 9 av aluminium kan legges inn mellom spissene. Ribbelengdene er avmålt slik at ved sammenføyningen av halvskallene 3, 4 til den rør-legemeformede profilinnsatsen presses kamspissene med sine frontflater, tilsvarende ribbetverrsnittet, fast og spaltefritt mot den flate profilen 9, for å oppnå en pålitelig varmeledende berøring mellom den flate profilen og ribbene. Dessuten kan også de to halvskallenes lengdekanter som berører hverandre, være utformet slik at de griper den flate profilens lengdekanter og ved et ferdig fremstilt varmevekslerrør klemmer disse godt varmeledende mellom seg. Ved hjelp av den mellom de to halvskallene innlagte flate profilen kan profilinnsatsens 2 varmeopptagende innvendige overflate økes enda mer på en enkel og billig måte for å gi et bidrag i størrelsesorden 10% eller mer.

I figur 3 vises et utførelseseksempel, ved hvilket aluminiumproiflinnsatsen 2, i samsvar med figur 1, ikke berører ytterrørets 1 innvendige side umiddelbart med sin utvendige side, men oppviser en i forhold til ytterrørets 1 innvendige diameter vesentlig underskridende utvendige diameter. I det derved dannede ringrommet mellom ytterrøret 1 og profilinnsatsen 2 er det anordnet en ringsylindrisk mellomprofil 10 av aluminium. Denne mellomprofilen 10 består av en rørvegg, som med hele sin ytre omkretsflate ligger varmeledende an mot hele ytterrørets 1 innvendige flate, og flere radielt på rørlegemets innvendige side anordnede ribber 11, som strekker seg frem til profilinnsatsens 2 ytterside og berører profilinnsatsens ytterside varmeledende over en flate. Mellomprofilen 10 er på samme måte som den indre profilinnsatsen 2 oppdelt i to mot den ene siden åpne mellomproiflhalvdeler ved hjelp av et gjennom ytterrørets lengdeakseforløpende deleplan, som altså også kan fremstilles med en enkel trekkmatrise uten flyvende kjerne ved strengpressing av aluminium. Mellomprofilen 10 er på samme måte som den ved hjelp av figur 1 beskrevne profilinnsatsen 2 utformet med avtettende lengdekanter på de to mellomprofilhalvdelene som berører hverandre, henholdsvis griper inn i hverandre. I forhold til utførelsesformen i figur 1 kan med utførelsesformen i figur 3 den av forbrenningsgassene berørbare og varmeopptagende innvendige totaloverflaten i varmevekslerrøret økes med godt og vel 100%. Derved kan man ytterligere vesentlig forkorte varmevekslerrørets lengde, for å avkjøle forbrenningsgassene i en forbrenningskjel fra en innløpstemperatur på for eksempel 850°C til en betydelig under forbrenningsgassens duggpunktgrense liggende utløpstemperatur på for eksempel 48°C.

Claims (7)

1. Varmevekslerrør for varmekjel, spesielt for gassforbrenningskjeler, bestående av et sylindrisk glattvegget ytterrør (1) av stål, som gjennomstrømmes av avgassser fra varmekjelfyringen og på utsiden omgis av varmekjel vann, og oppviser en i ytterrøret innskjøvet profilinnsats (2) av aluminium, som for forstørrelse av ytterrørets innvendige overflate oppviser i dettes lengderetning forløpende ribber (5) og står i varmeledende berøring med ytterrøret, karakterisert ved at profilinnsatsen (2) består av et rørlegeme, som er oppdelt i to halvskall (3,4) ved hjelp av et gjennom ytterrørlengdeaksen forløpende delingsplan, at de to halvskallene er utformet med på de hverandre berørende lengdekantene (6) sporformede fordypninger (7) og ribbeaktige fremspring (8) og dermed griper i hverandre på tettende måte vinkelrett på deleplanet, og at de to halvskallene (3,4) på skallenes innvendige side er utformet med i ytterrørets lengderetning seg strekkende ribber (5) som rager inn i rørlegemets åpne tverrrsnitt på en slik måte at hvert halvskall med sine ribber danner en ensidig åpen profil.

2. Varmevekslerrør ifølge krav 1, karakterisert ved at ribbene (5) på de to halvskallenes (3,4) innvendige side er utformet som kamaktig anordnede ribber, som står vinkelrett på deleplanet og strekker seg parvis mot hverandre inn til deleplanet.

3. Varmevekslerrør ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hvert av de to halvskallene (3,4) er utformet med et avtettingsspor på den ene lengdekanten (6) og en til sporformen tilpasset avtettingsribbe (8) på den andre lengdekanten (6).

4. Varmevekslerrør ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert v e d at ribbene (5) er forsynt med en i ytterrørets henholdsvis halvskallenes lengderetning forløpende rifleaktig overflateprofilering.

5. Varmevekslerrør ifølge krav 1, karakterisert ved at den av de to halvskallene (3,4) sammenføyde profilinnsatsen (2) har en ytterdiameter som hovedsakelig tilsvarer ytterrørets (1) innvendige diameter og på hele sin omkretsflate ligger umiddelbart an mot ytterrrøret og at profilinnsatsen (2) er sammenpresset med ytterrøret (1) ved hjelp av en radiell varig sarnmentrykkingsdeformasjon av hele ytterrøromkretsen.

6. Varmevekslerrør ifølge krav 2, karakterisert ved at det mellom de to halvskallenes (3,4) kamaktige ribbers (5) spisser er lagt inn et plateformet profil (9) av aluminium og at ribbelengdene er tilmålt slik at ved sammen-føyningen av de to halvskallene til profilinnsatsen (2) trykkes kamspissene varmeledende mot den flate profilen.

7. Varmevekslerrør ifølge krav 2, karakterisert ved at den av to halvskall (3,4) med kamaktige ribber (5) bestående profilinnsatsen (2) oppviser en utvendig diameter som vesentlig underskrider ytterrørets (1) innvendige diameter og at en mellomprofil (10) av aluminium er anordnet i ringrommet mellom profilinnsatsen (2) og ytterrøret (1), som består av en mot ytterrøret (1) liggende rørvegg og flere fra rørveggen utgående, radielt inn mot profilinnsatsen (2) seg strekkende, ribber (11) og likeledes er oppdelt i to ensidig åpne mellomprofilhalvdeler i et gjennom ytterrørets lengdeakse forløpende deleplan, som på rørveggens lengdekanter er utformet tettende og ligger mot hverandre, hvorved mellomprofilen (10) er sammenpresset varmeledende med ytterrøret og med den indre profilinnsatsen (2) ved hjelp av en radiell varig sammentrykningsdeformasjon av ytterrøret (1).