DE1040056B - Glied eines Waermeaustauschers, insbesondere fuer hohe Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher, insbesondere für hohe Temperaturen, z. B. Wandtemperaturen bis 1000° C, und für höhere Überdrücke zwischen den Arbeitsmedien, z. B. 6 bis 10 atü. Sie löst die Aufgabe einer zweckmäßigen und dabei dem Material und dem Preis nach vorteilhaften Konstruktion derselben durch die besondere Gestaltung ihrer Glieder.

Derartige Betriebsbedingungen kommen z. B. in den Arbeitskreisläufen von Verbrennungs- oder Luftturbinen, verschiedenen technologischen oder chemischen Vorgängen u. dgl. vor.

Wärmeaustauscher für solche anspruchsvolle Betriebsbedingungen werden meistens als Gleich- oder Gegenstromerhitzer mit Längs- oder Querspülung aus glatten Rohren aus hochlegierten Stählen gebaut. Nachteilig ist ein großer Verbrauch von seltenen Legierungen und ein bedeutender Anschaffungspreis. Dieser Umstand führte dazu, aus gegossenen Rippenrohren zusammengestellte Wärmeaustauscher zu verwenden. Die bekannten Typen von gußeisernen Rippenrohren mit beiderseitig durch Rippen verbreiterten Wänden sind aber nur für niedrigere Temperaturen und kleine Überdrücke zwischen den Arbeitsmedien verwendbar. Außerdem beeinträchtigen die erheblichen Abmessungen und das große Gewicht den Gebrauchswert der aus diesen Rippenrohren zusammengesetzten Wärmeaustauscher.

Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile, Mangel und Schwierigkeiten beim Bau von Wärmeaustauschern, - insbesondere für hohe Temperaturen, durch Verwendung von Gliedern beseitigt, deren Grundkörper aus einer hitzebeständigen Legierung nach Art eines Rohres mit einer durch Längsrippen an beiden' Seiten verbreiterten Wand gegossen und in einem Urnhüllungsmantel eingeschoben ist.

Ihre Form ist dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwand des Gliedkörpers im Querschnitt mindestens drei um die Achse gruppierte birnenartige Gewölbe bildet, deren Seitenwände weit ins Innere vorspringen und den Innenraum in mindestens drei zusammenhängende innere Durchflußkanäle unterteilen, während an der Außenseite der Grundwand "eine größere Anzahl von Längsrippen ungleicher Höhe angeordnet ist, die in dem Umhüllungsmantel Kanäle'für den Durchfluß des anderen Mediums, begrenzen. Außerdem weist die erfindungsmäßige Ausführung noch eine Reihe von weiteren Einzelheiten auf, die das Glied des "Wärmeaustauschers sowohl bezüglich der Gesamtanordnung als auch insbesondere bezüglich seiner Wirkungsweise verbessern.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmeaustauschers werden die Bedingungen zum Wärmeübergang aus dem Heizmedium in das beheizte Glied eines Wärmeaustauschers,
insbesondere für hohe Temperaturen

Anmelder:

Jifi Schneller und Bohumil Pokomy,
Prag (Tschechoslowakei)

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,
Göttingen, Groner Str. 35

Beanspruchte Priorität:
Tsche<iioslQwak.ei vom 20. April 1956

Jiri Schneller und Bohumil Pokorny,

Prag (Tschechoslowakei),
sind als Erfinder genannt worden

Medium wesentlich verbessert, wobei die Wirksamkeit durch das Einschieben einer Strahlemlage von geeigneter Form in den Innenraum des Gliedkörpers

: noch weiter erhöht wird. Durch die inneren und äußeren Längsrippen wird der Gliedkörper gleichzeitig mechanisch versteift, so daß bei den- hohen Temperaturen, denen, die bekannten hitzebeständigen Legierungen standhalten, z. B. bis 1000° C, derselbe auch höhere Überdrücke verträgt, z. B. 6 bis 10 atü.'

In der Zeichnung ist ein Beispiel einer entsprechenden konstruktiven Ausführung und Anordnung eines Gliedes des Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung zum Erhitzen von Druckluft durch heiße Verbren-

. nungsprodukte dargestellt.

Fig. I- veranschaulicht einen Teil desselben in" einem Längsschnitt durch die Achse des Gliedes;

Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch das Glied in einer in Fig. 1 angedeuteten senkrechten Ebene A-A

_' dar.

Der aus einer hitzebeständigen Legierung gegossene Körper des Gliedes besitzt die Form eines profilierten Rohres, dessen Grundwand 1 im dargestellten Beispiel vier symmetrische, wie die Blätter eines Kleeblattes angeordnete birnenartige Gewölbe bildet, die an der Berührungsstelle an der Innenseite in Längsrippen 2 übergehen. Die Rippen 2 vergrößern die innere Übergangsfläche und unterteilen den Innenraum für den Durchtritt von Verbrennungsprodükten in vier zusammenhängende Kanäle 8 von verkleinerten hydraü-

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Claims (8)

lisdien Durchmessern. An der Außenseite der Grundwand 1 ist eine größere Anzahl von ungleich hohen Längsrippen 3 angeordnet, welche die äußere Übertrittsfläche des Gliedkörpers vergrößern. Die Umhüllungskurve der abgerundeten Scheitel der Außenrippen 3 ist ein Kreis. Der Gliedlcörper ist in einen zylindrischen Mantel 4 eingeschoben, der z. B. aus einem Rohr aus üblichem Kohlenstoffstahl mit Aluminiumol >erfläche verfertigt ist. Dadurch wird zwischen den Außenrippen 3 eine größere Anzahl von Kanälen 9 von kleinen hydraulischen Durchmessern für den Durchtritt der zu beheizenden Luft gebildet. Zwecks gleichmäßiger Wärmebeanspruchung der Wand 1 des Gliedkörpers sind die Außenrippen 3 derart ljemessen und am Umfang verteilt, daß die Durchflußquerschnitte der Kanäle 9 annähernd gleich sind. Die erhöhte Wärmebeanspruchung der Wand 1 des Gliedkörpers an den Stellen der Verbreiterung der inneren Übertrittsfläche durch die Rippen 2 wird teilweise durch eine Vertiefung der Kanäle 9 und Verringerung der Teilung der gegenüberliegenden Außenrippen 3 ausgeglichen. Die äußere Übertrittsfläche entspricht etwa dem Doppel der inneren Übertrittsfläche, so daß die Wandtemperatur des Gliedkörpers 1 vorteilhaft gegen die Temperatur der zu beheizenden Luft verschoben ist, wobei der Temperaturunterschied etwa im Verhältnis 2:1 steht. Die inneren sowie die äußeren Rippen 2,3 versteifen gleichzeitig mechanisch die Wand 1, so daß der Gliedkörper ein Ganzes bildet, welches dem äußeren Überdruck sowie auch der Beanspruchung durch sein Eigengewicht gut standhält. Beim Durchfluß von reinen Medien können die einzelnen äußeren sowie inneren Rippen 2,3 in Längsrichtung unterbrochen werden, wodurch eine teilweise Störung der Grenzschicht und dadurch auch ein erhöhter Wärmeübergang erreicht wird. In den Innenraum des Wärmeaustauschgliedes kann noch eine Strahleinlage 5 eingeschoben werden, die in der Querschnittform eines Sternes mit entsprechender Anzahl von in die Durdhflußkanäle 8 hineinragenden Armen ausgeführt ist (Fig. 2). Durch die Strahleinlage 5 wird eine Erhöhung des Gesamtkoeffizienten des Wärmeüberganges an der Seite der Verbrennungsprodukte einerseits unter Einfluß der Wärmestrahlung von der Einlage auf die umgebenden kühleren Wände, andererseits durch eine weitere Verringerung der hydraulischen Durchmesser der Kanäle 8 erzielt. Bei der Reinigung der inneren Übertrittsflächen kann man die Strahleinlage 5 herausnehmen. In Fig. 1 ist die Anordnung des beschriebenen Gliedes eines mit Gegenstrom arbeitenden Wärmeaustauschers dargestellt. Die heißen Verbrennungsprodukte strömen im Sinne des Pfeiles I durch den Innenraum des Gliedes. Druckluft wird im Gegenstrom im Sinne der Pfeile II durch den Raum zwischen dem Gliedkörper und dem Mantelrohr 4 geleitet, bei dieser Anordnung kommen die höchsten Temperaturen der Wand des Gliedes 1 an der Eintrittsstelle der heißen Verbrennungsprodukte vor. Zwecks Verringerung der Wärmebeanspruchung des Materials und um das Glied in die Rohrwand 7 leichter einbauen zu können, geht an dieser Stelle die Wand 1 des Gliedes mit den äußeren sowie inneren Rippen 2, 3 in die Form eines glatten, dickwandigen kreisrunden Rohres über. Dabei hat das Abnehmen der Höhe der Innenrippen 2 ein schnelleres Gefälle als bei den Außenrippen 3, so daß mit steigenden hydraulischen Durchmessern des inneren Durchflußquerschnittes in der Richtung gegen den Eintritt der heißen Verbrennungsprodukte auch das Verhältnis der äußeren zur inneren Übertrittsfläche gleichzeitig vergrößert wird. Durch diese konstruktive Anordnung wird eine günstige Verringerung der Materialtemperatur in dem meistbeanspruchten Eintrittsteil des Gliedes erreicht. Zum Schutz der Eintrittskante des gegossenen Gliedkörpers gegen Abbrand durch heiße Verbrennungsprodukte ist in die Rohrwand 7 ein keramischer Ring6 eingebaut. ίο In Fällen, wo die Glieder der Wärmeaustauschvorrichtung in größeren ßaulängen hergestellt werden müssen, werden die einzelnen Teilglieder durch Schweißung verbunden. In der Zeichnung ist diese Gestaltung nicht dargestellt. Zu diesem Zweck endet der Körper jedes Teilgliedes an der Verbindungsseite mit einem Übergang in ein Profil eines glatten kreisrunden Rohres, das ähnlich, wie oben erwähnt, ausgeführt ist. Der Außendurchmesser des Rohrendes ist hier jedoch derart verringert, daß nach dem Über- ao ziehen des Mantelrohres4 über die zusammengeschweißten Teilglieder der Durchflußquerschnitt für das kühlere Medium an der Verbindungsstelle nicht gestört ist. Aus Festigkeitsgründen ist an der Verbindungsstelle die Wand des rohrförmigen Endes des Gliedkörpers entsprechend verstärkt. Die Bedeutung der Gliedergestaltung gemäß der Erfindung liegt insbesondere in der Möglichkeit der Verwendung eines billigen, zur Verfügung ,stehenden hitzebeständigen Gußeisens zum Bau von Druckwärmeaustauschern für hohe Temperaturen von vorteilhaften energetischen Eigenschaften und verhältnismäßig kleinen Ausmaßen. Die Verwendungsmöglichkeiten sind sehr vielseitig, insbesondere für Hochtemperaturaustauscher für Verbrennungsturbinen mit Verbrennung von Kohlenstaub hinter der Turbine, für die Wiedergewinnung der Abfallwärme von Gasen mit hohem Temperaturniveau in Verbindung mit einer Luftturbine usw. In allen diesen Fällen bietet die Anwendung der vorliegenden Erfindung !«merkenswerte technische sowie ökonomische Vorteile. PAT ENT Λ NSP I! OC H E:

1. Glied eines Wärmeaustauschers, insbesondere für hohe Temperaturen, dessen Grundkörper in Form eines Rohres mit einer beiderseitig durch Längsrippen verbreiterten Wand aus einer hitzebeständigen Legierung gegossen und in einen Umhüllungsmantel eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwand (1) des Körpers im Rohrquerschnitt (Fig. 2) mindestens drei birnenartig um die Achse herumgruppierte Gewölbe bildet, welche an der Berührungsstelle an der Innenseite in Längsrippen (2) übergehen, die den Rohrinnenraum in mindestens drei zusammenhängende innere Durchflußkanäle (8) unterteilen, während an der Außenseite der Grundwand (2) eine größere Anzahl von Längsrippen (3) ungleicher Höhe angeordnet ist, die in dem bekannten Umhüllungsmantel (4) Kanäle (9) für den Durchfluß des anderen Mediums begrenzen.

2. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innenraum eine im Querschnitt sternförmige Strahleinlage (5) eingeschoben ist, deren Längsrippen die Querschnitte der inneren Durchflußkanäle (8) unterteilen und verringern.

3. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche

Vergrößerung der inneren Übertrittsfläche des Körpers durch die Innenrippen (2) an der Körperaußenseite durch eine Vertiefung der Kanäle (9) und Verringerung der Teilung der entsprechenden Außenrippen (3) teilweise ausgeglichen wird.

4. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die ungleich hohen Außenrippen (3) und den Umhüllungsmantel (4) begrenzten äußeren Durchflußkanäle (9) einen annähernd gleich großen Durchflußquerschnitt aufweisen,

5. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Störung der Grenzschichten die äußeren sowie die inneren Rippen (2, 3) entlang der Grundwand (1) des Gliedkörpers in bestimmten Intervallen unterbrochen sind.

6. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eintritts- und Austrittsteilen des heißen Mediums die aus der Grundwand (1) mit den äußeren und inneren Rippen (2, 3) gebildete Querschnittform des Gliedes unter kontinuierlicher Vergrößerung der Dicke der Grundwand (1) in die Gestalt eines glatten kreisförmigen dickwandigen Ringes übergeht, wobei die Höhenabnaihme der inneren Rippen (2) ein schnelleres Gefälle als bei den Außenrippen (3) aufweist.

7. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Eintritt- oder Austrittstelle des heißen Mediums das Ende des Gliedkörpers in der Gestalt

ίο eines dickwandigen Rohres denselben oder einen größeren Außendurchmesser als der Umhüllungskreis der Scheitel der Außenrippen (3) aufweist.

8. Glied eines Wärmeaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stellen, an denen Teilglieder durch Schweißung verbunden werden sollen, der Übergang in die Gestalt eines kreisförmigen Querschnittes ähnlich wie im Anspruch 6 ausgeführt ist, wobei der Außendurchmesser des kreisförmigen Quersdhnittes

ao derart verringert ist, daß an der Verbindungsstelle der äußere Durchflußquerschnitt zwischen dem Gliedkörper und dem Umhüllungsmantel (4) aufrechterhalten bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen