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Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem Rauchgasstrom und einer
zu erhitzenden Flüssigkeit Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch
zwischen einem Rauchgasstrom, der in Form eines von einer Außenhülle umgebenen Mittelkernes
in einem röhrenförmigen Körper strömt, und einer zu erhitzenden Flüssigkeit, die
diesen röhrenförmigen Körper umgibt, bestehend aus einem die Rauchgase führenden
Rohr und einem sich axial innerhalb dieses Rohres nahezu über dessen gesamte Länge
erstreckenden Einsatz, der einen ringförmigen Durchlaß zwischen sich und der Innenfläche
des Rohres frei läßt und Führungsflächen trägt, die mit ihrem äußeren Umfang eng
an der Innenfläche des Rohres liegen.
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Derartige Wärmeaustauschsysteme sind in verschi-edener Form bekannt;
insbesondere die Rohrbün-del. von Dampferzeugern, bei denen die außen von
Wasser umspülten Rohre innen von .den heißen Verbrennungsgasen durchströmt werden,
stellen solche Wärmeaustauschsysteme dar.
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Der grundsätzlich bei derartigen Systemen auftretende Nachteil besteht
darin, daß der Wärmeaustauschwirkungsgrad darunter leidet, daß sich innerhalb der
Rohrleitung -in den heißen, strömenden Gasen sehr schnell eine langsamere Mantelströmung
Temperatur und eine schnell fließende Kernströmung hoher Temperatur ausbildet. Diese
Kernströmung durchsetzt dabei verhältnismäßig schnell den Wärmeaus.tauscher, ohne
nennenswerte Wärmemengen abzugeben, während die Mantelströmung so langsam fließt,
daß sie die Wärmeaustauschoberfläche belagert.
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Man hat schon versucht, die Ausbildung dieser beiden Strömungen zu
verhindern oder die beiden Strömungen wieder innerhalb des Wärmeaustauschers miteinander
zu vereinen. Solche Versuche haben jedoch nur eine .beschränkte Verbesserung des
Wärmeaustauschwirkungsgrades hervorgebracht, weil es bisher nicht gelang, die schnelle
Kernströmung mit hinreichender Wirksamkeit in die Mantelströmung einzuführen und
mit der Wärmeaustauschoberfläche in Berührung zu bringen.
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So ist es beispielsweise bei Verdampferrohren für Kühlmaschinen bekanntgeworden,
in@das Verdampferrohr einen rohrförmigen Innenkörper einzusetzen, dessen Durchmesser
von der Druckseite zur Saugseite wächst, und .der schraubenförmig von einem Band
umwunden ist. Hierdurch konnte zwar das verdampfende Kühlmittel gezwungen werden,
in erhöhtem Maße mit der äußeren Rohrwandung,in Wärmeaustausch zu treten, jedoch
ist bei einem von einem heißen Rauchgas durchsetzten Wärmeaustauschrohr eine solche
Einrichtung nicht wirksam, weil die am Innenkörper entlangströmen@den heißen Gase
in axialer Richtung eher beschleunigt werden, als #&aß sie eine Strömungskomponente
in -radialer Richtung erhalten. Die sich bereits am Rohreingang ausbildende Mantelströmung
wird dagegen durch eine solche Einrichtung noch gegenüber der Kernströmung verlangsamt,
so daß sie gezwungen wird, sich an der inneren Oberfläche des Wärmeaustauschrohres
abzulagern, während die heißen Kerngase in Bewegung an ihr vorbei durch das Austauscherrohr
geführt werden und erst dann allmählich mit der Wärmeaustauschoberfläche in Berührung
kommen, wenn ihre Geschwindigkeit so hoch ist, daß ihnen keine Zeit zu einem wirksamen
Wärmeaustausch mehr zur Verfügung steht.
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Man hat auch bereits versucht, bei - mit heißen Rauchgasen beschickten-
Wärmeaustauschrohren den Wärmeaustauschwirkungsgrad dadurch zu verbessern, ctaß
man -einen kegeligen Innenkörper ohne irgendwelche Schraubenbänder od. dgl. -derart
einsetzt, daß sein Durchmesser nach dem Rohrausgang hin- zunimmt. Aber auch ein
derartiger Einsatz kann nur die heißen Kerngase beschleunigen. Zwangläufg wind dadurch
die sich am Rohreingang bildende Mantelströmung zurückgedrängt, - so daß sie über
den größter Bereich der Rohrlänge die innere Oberfläche des Rohres besetzen muß
und nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
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Es sind ferner Einsä,tz;e-'für Wärmeaustauschrohre bekannt, die aus
einem aln'Ausgangsende .geschlosse-104 528/1ö6
nen Rohr bestehen,
das über seine Länge verhältnismäßig große Durchbrüche aufweist und auf seiner Außenseite
mit einem schraubenförmigen Band besetzt -ist. Bei derartigen Einsätzen wird beim
Rohreingang die heiße Kernströmung vom Einsatzrohr aufgenommen,- während die Mantelströmung
in schraubenförmiger Bahn im Zwischenraum zwischen dem Einsatzrohr und dem Wärmeaustauschrohr
geführt ist.
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Die ;durch die weiten Auslässe des Einsiatzrohres austretenden heißen
Gase werden aber nicht veranlaßt, in diese Mantelströmung einzutreten, sondern strömen!
-als innere schnellere Strömung im Bereich des Einsatzrohres an dem schraubenförmigen.
Band entlang. Auf diese Weise wird ebenfalls, wie bei den übrigen bekannten Einsätzen,
die abgekühlte Mantelströmung noch stärker nach außen verdrängt und muß deshalb
-die Wärmeaustauschoberfläche besetzen.
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Für Flüssigkeitswärmeaustauscher, die mit heißen Flüssigkeiten oder
auch mit Rauchgasen beschickt werden, ist es auch bereits bekannt, konische Einsatzrohre
mit seitlichen düsenartigen Öffnungen zu benutzen. Derartige Einsätze mögen zwar
bei Beschikkung des Austauschers mit heißer Flüssigkeit wirksam sein, bei Wärmeaustauschern
für heiße, strömende Gase sind derartige Einsätze jedoch nicht verwendbar, weil
die im Innern des Einsatzes strömen-(len Gase auch dort eine Kern- und eine Mantelströmung
ausbilden und die Kernströmung erst durch die letzten Öffnungen, also unmittelbar
vor dem Ausgang aus dem Austauscherrohr, durch die Düsen treten und nicht mehr zum
Wärmeaustausch kommen. Auch bei Flüssigkeitswärmeaustauschernbenutzte Einsätze,
bei denen auf einem axial erstreckten Einsatzkörper ein schraubenförmiges Band angebracht
ist, sind noch weniger für Wärm.eaustauscher für beiße Gase wirksam als solche Einsätze,
bei denen ein schraubenförmiges Band auf einem komisch zunehmenden axial erstreckten
Einsatzkörper angeordnet ist.
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Schließlich, hatimlanmoch versucht, durch: Ablenkung der Hüllengase
nach innen oder durch einen sinusförmigen Weg für die Gase den Wärmeaustauschwirkungsgrad
zu :erhöhen. Abgesehen davon, daß durch derartige Maßnahmen auch nur im wesentlichen
die Hüllengase gegenüber den Kerngasen verlangsamt werden, leiden diese Maßnahmen,
noch darunter, daß derartige Einsätze der Strömung .einen :hohlen Widertand. bieten
und außerdem sich sehr schnell mit Flug- s
asche und Ruß vollsetzen.
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Dem Gegenstand der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, -wiederholt
Teile der Kerngasströmunig wirksam in die Mantelgasströmung einzuführen, dadurch
zunächst in unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Wärmeaustauschoiberfläche zu kommen,
gleichzeitig auch die Mantelgasströmung aufzuwärmen und zu beschleunigen und.ständig
zu veranlassen, die Wärmeaustauschoberfläche freizugeben.
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Diese Aufgabe wird .durch die Erfindung dadurch gelöst, daß -das tragende
Stück -des. Einsatzes von einem Stab gebildet ist, -dessen Querschnitt in der Strömungsrichtung
des Gases zunimmt und dadurch einen ringförmigen Durchlaß mit abnehmendem Strömungsquerschnitt
bildet, daß an dieses .mittlere stabförmige Trägerelement ein in -sich geschlossenes
Führungsband angesetzt ist, das in der Weise aus Führungselementen mit geradlinigen,
geneigten Führungsflächen und Dreieckselementen mit in axialer Richtung liegenden
Führungsflächen aufgebaut .ist, daß die Elemente jeder der- beiden sich abwechselnden
Artcri -.abwechselnd auf der- einen und. der an-'deren Seite dis mittleren sfiaibförmigen
Trägerstückes liegen und daß am Gasei.ntribtsende jedes Führungselementes mit geneigten
Führungsflächen eine Au.snehmung an der Außenkante gebildet ist.
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Der Einsatz nach der Erfindung zeichnet sich durch einen außerordentlich
geringen Strömungswiderstand aus und bewirkt zugleich, daß wiederholt Teile des
heißen Strömungskernes mit hoher Geschwindigkeit und somit hoher Strömungsenergie
in -den Strömungsmantel eingeblasen werden. Die Strömungshülle aller der Strömungsmantel
wird -dadurch aufgewärmt und beschleunigt und kann damit erneut in wirkungsvollen
Wärmeaustausch mit der Wärmeaustauschoberfache treten. Duzch die erzielte Beschleunigung
der Hülle werden aber auch Teile der Hüllengase in den inneren Strömungsbereich
des Gaskörpers, also in innige Berührung mit dem Strömungskern, verdrängt, rler
dann derartige abgekühlten Gase aufnimmt und sich selbst abkühlt -und verlangsamt.
Diese mehrfache gegenseitige Austauschwirkung zwischen Gashülle und Gaskern kann
durch den Gegenstand .der Erfindung so weitgehend durchgeführt werden, daß der -Gaskörper
mit einer einheitlichen Geschwindigkeit aus dem Austauscher tritt, ohne daß hierdurch
das Druckgefälle über den Wärmeaustauscher so groß wird, daß der Zug einer Feuerung
beeinträchtigt werden könnte.
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Die durch den Gegenstand der Erfindung erzielte gegenseitige Beeinflussung
von Gashülle und Gaskern hat weiterhin die vorteilhafte Folge, daß mitgeführten
Asche- und Rußteilchen keine Gelegenheit geböten ist, sich an irgendwelchen Stellen
des Einsatzes oder der Wärmeaustauschoberfläche iin solcher Menge abzusetzen, daß
die Arbeitsweise des Austauschers oder das Einsatzes beeinträchtigt werden könnte.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dar.
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Fig. 1 und 2 zieigen einen Einsatz: in um 90° :gegeneinander versetzten
Seitenansichten, und Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2. Im dargestellten
Beispiel ist in dem Rohr 1 ein Trägerstück 2- axial angeordnet; dessen Querschnitt
in Richtung des Pfeiles f zunimmt und das in der Praxiszweckmäßig; konisch ausgebildet
ist. Das Trägerstück.2 läßt- daher' zwischen sich -und dem Rohr 1 einen Ringraum
3 übrig, dessen Querschnitt in der Richtung des Pfeiles f abnimmt.
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Der mittlere Gastkern der Heißgasströmung, in den das Trägerstück
2 eingesetzt ist, wird daher gezwungen, in Form eines hohlen Stromfadens mit zunehmendem
innerem Hohlraum abzuströmen und in den Bereich -der in Berührung mit der Innenwand
des Rohres 1 strömenden Gashülle einzudringen.
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Zur Erzielung eines wirksamen Eindringens der Kerngase in die Gashülle
und seiner :innigen völligen Mischung dieser beiden Gasströme sind an dem Trägerstück
2 Leitbleche vorgesehen, die sich von dem Trägerstück 2 auf das -Rohr 1 zu und gegebenenfalls
bis zu idiiesiem erstrecken und so ausgebildet und angeordnet sind, daß sich am.
aufeinanderfolgenden Stellen Teile des Gaskernes von ,diesem ablösen und in die
Gashülle übertreten müssen.
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.Derartige Leitbleche werden z. B. durch die Teile 4 gebildet,: die
zweckmäßiig als ebene Flächenteile derart angebracht sind;, daß sie angenähert schraubenförmig.
in der Strömungsbahn der Gase liegen. Diese Teile 4 tragen jeweils an ;ihrem Gaseintrittsende
.einen Ausschnitt 5 an ihrem Außenrand. Jeder dieser Teile 4 ist Über ein axial
zum Trägerstück 2 verlaufendes, Dreiecksstück 7 mit hinein Gasaustrittsende an
das
Gaseintrittsende des nächsten Teiles 4 angeschlossen.
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Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, kann der von unten in dem
Rohr 1 aufsteigende Gaskern links von dem Teil 2 für den Augenblick seine Aufwärtsbew
egung fortsetzen, während rechts ein Teil des Gaskernes den Ausschnitt 5 .durchströmen
kann und ein anderer Teil an dem Leitblech 4 entlangströmen muß, das er in seiner
Aufwärtsbewegung trifft, wodurch er zu dem Ausschnitt 5 des nächsten Leitbleches
4 auf der linken Seite und zu der Gashülle und der Wand des Rohres 1 geführt wird.
Dass Leitblech 4 der linken Seite entnimmt,dem erwähnten aufsteigenden linken Teil
des Gaskernes mindestens einen Teil, den es zu dem Ausschnitt 5 des in der Strömungsrichtung
nächsten Leibbleches 4 und so zu der Außenhülle und .dem Rohr 1 führt. Diese Vorgänge
wiederholen sich an den in der Strömungsrichtung nacheinander angeordneten Leitblechen,
so daß der Gaskern abschnittsweise in die Außenhülle eintritt und diese zu wiederholten
Malen kinetische Energie und Wärme zuführt, so daß @er am Austrittsende des Rohres
1 völlig in die Gashülle übergeführt lind innig mit dieser gemischt ist.
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Durch die Erfindung wird die Strömung der Gashülle zweckmäßig .geregelt
und vergleichmäßigt. Die Leitbleche 4 erfüllen hierbei in geeigneter Weise die Rolle
einer hierfür erforderlichen. Führung, wobei die gemeinsame Strömung dies Kernes
und der Hülle längs dieser Leitbleche die innige Vermischung der Gase begünstigt.
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Es ist ferner zu beachten, daß die Leitbleche 4 .auch zur übertnagung
von Wärme von dem Trägerstück2 dienen und außerdem -die Stellung und Zentrierung
des Trägerstückes 2 im Rohr 1 bewirken können.
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Die Leitbleche 4 sind zweckmäßig mit .dem Trägerstück 2 cinstückig
hergestellt, indem sie z. B. mit diesem zusammen in einem Stück gegossen werden.
Das Trägerstück 2 wird in dem Rohr 1 auf beliebige Weise gehalten, beispielsweise,
wie dargestellt, durch einen oberen seitlichen Vorsprung 6, der sich auf den oberen
Rand des Rohres 1 legt.
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Durch den Gegenstand der Erfindung wird ein hoher Wärmeaustauschwirkungsgrad
über die gesamte Länge des Rohres aufrechterhalten. Die aus dem Wärmeaus.tauscher
austretenden Gase gelangen als homogene Strömung mit niedriger Temperatur in den
Abzug.