AT228248B

AT228248B - Rotierender Wärmeaustauscher

Info

Publication number: AT228248B
Application number: AT22562A
Authority: AT
Inventors: Maximilian Dipl In Staudenherz
Original assignee: Maximilian Dipl In Staudenherz
Priority date: 1962-01-12
Filing date: 1962-01-12
Publication date: 1963-07-10

Description

Rotierender Wärmeaustauscher
Gegenstand der Erfindung sind rotierende Wärmeaustauscher in der Rohrgruppenbauweise.

Das Neuartige der Erfindung besteht darin, dass auf einem vierkantigen oder schulterartigen Ring kleeblattartig gewundene Rohre eingegossen oder eingeschweisst sind, die entweder mit Ringrippen oder mit spiralförmig gewundenen Rohren versteift sind.

Es sind an sich verschiedene Ausführungen von rotierenden Wärmeaustauschern bekannt. So z. B. sind radial auf einem Ring U-förmig gebogene Rohre mit ungleich langen U-Schenkeln angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform sind sehr grosse Wärmeübergangszahlen erzielt worden. Nachteilig ist die begrenzte Grösse der Heizfläche. Ausserdem können nur verhältnismässig kleine Dampfdrücke erreicht werden. Ge- mäss dem Erfindungsgegenstand können diese Wärmeaustauscher in grosser Zahl auf einer Welle bzw. Rohrwelle in Serie oder parallelgeschaltet werden. Auch die Wahl eines grossen Durchmessers ist leichter möglich als bei der Ausführung mit ungleich langen U-Rohrschenkeln. Dadurch kann die Heizfläche sehr gross gewählt werden und ein sehr grosser Heizgasdurchströmquerschnitt ist konstruktiv möglich.

Das Anordnen von einer grösseren Zahl von Rohrgruppen bedingt eine besondere Ausbildung der Grenzelemente. Der Erfindungsgegenstand beinhaltet auch diese besondere Ausbildung.

Der Erfindungsgegenstand ist in den Fig. 1 - 9 dargestellt. Die Fig. 1 und 2 stellen erfindungsgemässe Wärmeaustauscher im Schnitt dar. Fig. 3 zeigt die Seitenansicht der Rohrgruppen. Fig. 4 stellt die Draufsicht einer Rohrgruppe dar. Fig. 5 zeigt die Seitenansicht einer Rohrgruppe in der Einrohrausbildung. Fig.

6 stellt eine besondere Ausbildung der U-förmigen Rohrschenkel dar. In den Fig. 7 und 8 sind Ausführungsbeispiele der Grenzrohrgruppen dargestellt. Fig. 9 stellt ein'Anwendungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar.

In den Fig. 1, 2, 3,4 und 5 stellt 1 einen schulterartigen Ring dar. 2 ist ein kleeblattartig gewundenes Rohr, das um die Zapfen 4 gewunden ist und an diese bei 5 eingeschweisst ist. Das Rohr kann aus einem einzigen Stück gewunden und mit einer Eintrittsstelle 3 und einer Austrittsstelle 3a versehen sein. Die Kleeblattform kann aber auch aus mehreren Teilstücken bestehen. So ist z. B. aus Fig. 3 ersichtlich, dass ein Teilstück von 3 bis 3a sich erstreckt und an zwei Zapfen 4a und 4b des schulterartigen Ringes 1 eingeschweisst ist. Der so entstehende Wärmeaustauscher kann nun beiderseits mit ringförmigen Rippen 6 versteift werden (nur in Fig. 1 gezeichnet). Diese Rippen 6 dienen gleichzeitig zur Vergrösserung der Heizflächen. Die Anbringung von Ringrippen an U-förmig gebogene Rohre ist an sich bekannt.

An Stelle der Rippen können erfindungsgemäss jedoch auch spiralförmig gewundene Rohre 7 angeordnet werden. In den Fig. 2 und 3 sind beispielsweise vier Spiralrohre 7 angeordnet, die bei 7a (Hinterseite der Rohrgrup- pe, strichliert gezeichnet) beginnen, dann spiralförmig zur Achsmitte geführt sind, in 7c den Ringkörper von der Hinterseite zur Vorderseite kreuzen (an dieser Stelle ausserdem eingeschweisst sind) und dann auf der Vorderseite der Rohrgruppe spiralförmig von innen nach aussen im entgegengesetzten Windungssinn verlaufen. Das Ende des Rohres ist mit 7b bezeichnet. Das kleeblattartige Mittelrohr wird von allen spi- ralförmig verlaufenden Rohren an vielen Stellen gekreuzt.

An. diesen Kreuzungsstellen sind die Rohre miteinander verschweisst (direkt Rohr an Rohr liegend oder mittels eines Entfernungssteges, Rohr von Rohr etwas getrennt), wodurch ein sehr stabiler und massiver Rohrkörper entsteht, der auch sehr grosse Umfangsgeschwindigkeiten aushält. Zwecks einfacherer Herstellung können sowohl die kleeblattartig wie auch spiralförmig gewundenen Rohre aus Halbbögen 8,9 und einzelnen gewundenen Rohrstücken hergestellt werden. Die Halbbögen sind abwechselnd senkrecht (z. B. Halbbogen 8) bzw. parallel (z. B. Halbbogen 9) zur Längsachse des Ringkörpers in diesen eingeschweisst. An diese Halbbögen 8,9 werden dann die ge-

raden Rohrstücke eingeschweisst. Durch diese Konstruktion erübrigt sich das Herausfräsen der Zapfen 4.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 bestehen nur aus Rohren ohne Rippen, die im Inneren die zu verdampfende Flüssigkeit führen. Diese Wärmeaustauscher können daher im direkten Feuerstrahl lie- gen, ohne zu verbrennen. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die kleeblattartig gewundenen Rohre 2a nicht nur senkrecht zur Längsachse angeordnet, sondern auch einen Winkel CI : mit der Längsachse einschliessen können. Die versteifenden, spiralförmig gewundenenRohre 7x und 7y schliessen den gleichen Winkelet ein, so dass der Rohrkörper eine kegelstumpfförmige Form annimmt. Der Vorteil dieser Ausbildung ist der, dass sich an die Rohre keine Flugasche ansetzen kann, da diese infolge derFliehkraftwirkung weggeschleu- dert wird.

In Fig. 4 ist die Anordnung von turbinenartigen Laufradschaufeln dargestellt. Mit 10 sind die Turbi- nenschaufeln bezeichnet. Diese Schaufeln sind rings um die Rohre 2 angeordnet. Im Gasturbinenbau zur
Erzeugung von sekundärer Warmluft können solche Rohrkörper verwendet werden. Die in den letzten Stufen einer Gasturbine noch auftretende Wärmeenergie kann somit durch die Laufradschaufeln 10 noch zu- rückgewonnen werden.

Fig. 5 zeigt die Ausbildung einer Rohrgruppe gemäss Fig. 2, die in drei nebeneinander angeordneten Rohrebenen liegen, u. zw. in der Einrohrausbildung. In Fig. 5 ist mit 1 der schulterartige Ring bezeichnet. 7a ist die in der vorderen Reihe gelegene spiralförmige Rohrschlange (stark gezeichnet). 3 sind die kleeblattartigen Rohrteile und mit 7b ist die hintere spiralförmige Rohrschlange bezeichnet (dünn gezeichnet), mit 11 ist das Kniestück bezeichnet, durch welches die vordere Rohrschlange 7a in die Ebene der kleeblattartigen Rohrschlange 3 übergeführt wird. Mit 12 ist das Kniestück bezeichnet, durch welches ' (jas Rohr 3 in die hinten gelegene Rohrschlange 7b übergeführt wird.

In den schulterartigen Ring 1 ist die ganze Rohrschlange mittels der Halbbögen 13 in entsprechende Ausnehmungen des Ringes eingeschweisst. Diese Rohrgruppe hat an sich keine einzige Rohrschweissstelle, somit wird diese sehr hohen Temperaturen standhalten können.

In Fig. 6 ist die besondere Formgebung der radialen Schenkel der kleeblattartigen Rohrschlange 2 dargestellt. Die radialenTeile dieser Rohrschlange sind mit 2c bezeichnet. Mit 8 sind die eingeschweissten Halbbögen bezeichnet. Die radialen Teile 2c sind nicht gerade, sondern schraubenförmig ausgebildet. Durch diese schraubenförmige Ausbildung erfolgt auf der Oberfläche der Rohre beim Umspülen durch die Heizgase eine äusserst kräftige Wirbelbildung. (Auf die genauen Strömungsverhältnisse wird in Fig. 9 näher eingegangen.) Diese Bauart kann vornehmlich in der Schweissbauweise hergestellt werden. Theoretisch ist auch die Verwendung eines schraubenförmig verwundenen Rohres für die gesamte Ausbildung gemäss Fig. 5 möglich.

In Fig. 7 ist der Anschluss einer Endrohrgruppe, die in der heissesten Rauchgaszone liegt, an das Innere der Rohrwelle dargestellt. In Fig. 7 ist 14 ein Teilstück der Rohrwelle, 15 ist das Verbindungsrohr zur letzten Rohrgruppe 14 der Rohrwelle, 16 ist ein Teilstück des Rauchgaszubringergehäuses. 17 ist ein Schutzring, der auf die Rohrwelle aufgezogen ist, 18 ist ein Kniestück, welches das Rohr 15 mit dem Rohr 15a verbindet.

Durch die Anordnung des Schutzringes 17 kommen die geschweissten Rohrverbindungsstellen 18a und 18b nicht mit den heissen Rauchgasen in Berührung, sie sind dadurch vor Verbrennungen ge-
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rinth-Schulterringdichtung, die bei 35a und 35b mit selbstschmierenden Gleitlagern versehen ist, 35c Ist das schulterartige Drucklager und 35d sind die Labyrinthkammern, 36 ist eine Druckscheibe, die mittels der Schraubenfedern 27 und mittels der Schraubenmuttern 38 dichtend an den Körper 33 angepresst wird.

39 ist ein zylindrischer Dichtungskörper an der Austrittsseite der Rohrwelle. 40 ist wieder ein stillstehen- der Dichtungskörper, der so wie der an der Seite der Flüssigkeitszubringung dargestellte Dichtungskörper (35-35d) ausgebildet ist. 41 sind die Abschlussrohre an der Austrittsseite des Speisewasservorwärmers,
42 sind die Verbindungsrohre, die einerseits an der Schweissstelle 41a mit den Rohren und anderseits mit dem Dichtungskörper 39 verbunden sind. Die Wirkungsweise des Speisewasservorwärmers ist folgen- de : Das Speisewasser wird durch das Rohr mit der Dichtung 35 zugeführt. Die Flüssigkeit fliesst durch die
Kanäle 34 in die Verteilerrohre 27, von dort gelangt sie in die schraubenförmig gewundenen Rohre 28 und von dort weiters in die eigentlichen Rohrgruppen 2, 7.

In Fig. 9 sind vier Rohrgruppen dargestellt. Mit- tels der Rohre 41 und 42 wird die Flüssigkeit wieder in den stillstehenden Dichtungskörper 40 geleitet, um von dort dem Verbraucher zugeführt zu werden. Der Weg der Flüssigkeit ist durch den Pfeil P2 ange- geben. Die Heizgase strömen durch die Heizgaszuführungskammer 31 ein, sie durchströmen den Wärme- austauscher annähernd parallel zur Drehachse, um dann radial durch das Gasabzugsgehäuse 32 den Wär- meaustauscher wieder zu verlassen. Der Weg der Heizgase ist durch den Pfeil P3 angegeben. Beim Durch- strömen der einzelnen Rohrgruppen wird diese Parallelströmung empfindlich gestört.

Die Heizgase müssen jedes einzelne Rohr'umströmen, wobei den Gasteilchen in radialer und in tangentialer Richtung durch die rotierenden Rohrteile eine Ablenkung erteilt wird, die besonders intensiv durch die Rohre 7 (Fig. 2 und 3) und 2c (Fig. 6) bewirkt wird. Als Summenwirkung dieser Bewegung ergibt sich eine äusserst kräftige Wirbelströmung um die Rohrteile, wodurch die Grenzschicht weggespült wird und daher der Wärme- übergang durch Berührung noch eine wesentliche Steigerung erfährt. Diese Steigerung des Wärmeüberganges ist ja das Fortschrittliche des Erfindungsgegenstandes. Gemäss Fig. 9 sind die Heizgase und das Spei- sewasser in bekannter Art im Gegenstrom geführt.

Es ist noch hinzuweisen, dass zwischen dem als Ventilatorscheibe ausgebildeten Abschlusskörper 26 und der ersten Rohrgruppe 2,3, schraubenförmig gewundene Rohre 28 angeordnet sind. Der Zweck ist der. die Flüssigkeit vor der ersten, gegen die Fliehkraft gerichteten Bewegung vorzuwärmen und den Raum im Ventilatorbereich für den Wärmeaustausch auszunützen. Die Kanäle 34 und die Rohre 27 wie auch die schraubenförmig gewundenen Rohre 28 wirken als Kreiselpumpe.

Nun noch ein Hinweis auf die verschiedenen Ventilatorscheibenausbildungen gemäss den Fig. 8 und 9. Bei der Speisewasserzuführung gemäss Fig. 8 wird die Flüssigkeit bis zum Eintritt in die Rohre 21 bis zu einem gewissen Grade vorgewärmt und die Ventilatorscheibe 19 wird entsprechend gekühlt. Bei der Ausführung gemäss Fig. 9 tritt diese Wirkung allerdings nicht auf, jedoch sind die Zubringerwege bei der Druckprüfung besser zu überwachen. Auch dann, wenn Rohrgruppen gemäss Fig. 5 zur Anwendung kommen, kann man die Serien- oder Parallelschaltung der einzelnen Rohrgruppen ausserhalb der Ventilatorscheibe, etwa an der Stelle 27a herstellen. An dieser Stelle befindensich dann auch die Schweissverbindungen mit den Rohren 27.

Der in Fig. 9 dargestellte Speisewasservorwärmer könnte auch zur direkten Dampf- bzw. Heissdampferzeugung verwendet werden.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Rotierender Wärmeaustauscher, bestehend aus Rohrgruppen, welche Ringkörper mit auf diesen befestigten U-förmigen Rohrschlangen besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Ringkörpern (1) befestigten U-förmigen Rohrschlangen (2) in einer senkrecht zur Achse der Ringkörper gelegenen Ebene angeordnet sind, wobei die äusseren Bogen der U-förmigen Rohrschlangen (2) kleeblattartig erweitert sind und die inneren Bogen in Ausnehmungen (5) der Ringkörper (1) befestigt, vorzugsweise eingeschweisst oder eingegossen sind.

Claims

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der U-förmigen Rohrschlangen (2) aus mehreren Teilstücken jedes dieser Teilstücke über mindestens zwei Befestigungsstellen am Ringkörper (1) reicht.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten der Rohrschlangen (2) in an sich bekannter Weise ringförmige Rippen (6) angeordnet sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten der Rohrschlangen (2) spiralförmig gewundene Rohre (7) angeordnet sind.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmig gewundenen <Desc/Clms Page number 4> Rohre (7) entgegengesetzten Windungssinn besitzen.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Bögen der Rohrschlangen (2) aus halbkreisförmig ausgebildeten Rohrkrümmern bestehen, in welchen die übrigen Teilstücke der Rohrschlangen befestigt, vorzugsweise eingeschweisst sind.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrgruppen oder Teilstücke derselben aus Rohren 2c) bestehen, die schraubenförmig verwunden sind (Fig. 6).

8. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen l, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrgruppen zur Achse der Ringkörper (1) geneigt angeordnet sind (Fig. 2a).

9. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1, 4 und 5. dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen und die kleeblattartigen Rohre aus einem einzigen Rohr gewunden sind (Fig. 5).

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszubringung in die einzelnen Rohrgruppen mittels kreiselpumpenartiger Kanäle (20) erfolgt, die sich in dem den Wärmeaustauscher abgrenzenden Ventilator befinden (Fig. 8).

11.. Wärmeaustauscher nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszubringung in die einzelnen Rohrgruppen mittels Verteilerrohren (27) erfolgt, die an der den Abgasen abgewandten Seite der Ventilatorscheibe (26) angeordnet sind (Fig. 9).

12. Wärmeaustauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ventilatorscheibe (26) und den eigentlichen Rohrgruppen (2, 7) schraubenförmig gewundene Rohre (28) angeordnet sind (Fig. 9).

13. Wärmeaustauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Serien- bzw. Parallelschalten der einzelnen Rohrgruppen (2, 7) auf der den Abgasen abgewandten Seite (z. B. an der Stelle 27a) der Ventilatorscheibe (26) erfolgt (Fig. 9).