DE2536657A1

DE2536657A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2536657A1
Application number: DE19752536657
Authority: DE
Inventors: Aake Kristian Persson
Original assignee: SKF Kugellagerfabriken GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1974-08-27
Filing date: 1975-08-16
Publication date: 1976-03-18
Also published as: FR2283411A1; SE394216B; DE2536657B2; GB1506484A; FR2283411B1; JPS54175650U; SE7410823L; DE2536657C3; JPS5150050A

Description

SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH

Schweinfurt, 5.8.1975 NL 74 017 DT FR/cj

Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher aus Metall zur Übertragung der Wärme von einem wärmeabgebenden zu einem wärmeaufnehmenden Medium, der innerhalb seines Aussenmantels mehrere vorzugsweise das wärmeabgebende Medium aufnehmende Durchflussrohre hat, die von dem wärmeaufnehmenden Medium umgeben sind. Ein derartiger Wärmeaustauscher eignet sich besonders zum Vorwärmen der für einen ölbeheizten Industrieofen benötigten Verbrennungsluft mittels dessen eigenen Abgasen.

Ein grosses Problem bei derartig verwendeten Wärmeaustauschern ist die hierbei auftretende unerwünschte Korrosion. Sie tritt besonders an denjenigen Teilen des Wärmeaustauschers auf, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind und die gleichzeitig mit den Abgasen des Ofens in Berührung kommen. Bei Temperaturen über ca. 600 C korrodieren die metallischen Flächen

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ziemlich rasch, was vorwiegend auf die im Heizöl enthaltenen Schwefel-, Vanadium- und Alkalioxide zurückzuführen ist. Die Gefahr einer Korrosion ist ferner dann gross, wenn die Temperatur der metallischen Flächen unter ca. 150 C absinkt, was vorwiegend von der Ausfällung saurer Alkalisulfate an den Wärmeaustauscherflächen herrührt. Diese Korrosionsprodukte sind ausserdem klebrig und können zu einer Verstopfung der Gaskanäle führen.

Das genannte Problem tritt vorwiegend bei den nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Wärmeaustauschern auf, welchaaber eine sehr gute Wärraeausnutzung bei geringstmöglicher Wärmeübergangsfläche gewährleisten. Dagegen ist die Korrosionsgefahr bei den nach dem Gleichstromprinzip arbeitenden Wärmeaustauschern relativ gering. Die Wärmeausnutzung ist jedoch hier begrenzt, und zwar deshalb, weil das wärmeaufnehmende kalte Medium auf keine höhere Temperatur als ca. 100 C unter der Abströmtemperatur des wärmeabgebenden warmen Mediums erwärmt werden kann.

Zur Verringerung der Gefahr einer sogenannten Hochtemperaturkorrosion und zur gleichzeitigen Erzielung eines Wärmeaustauschers mit relativ geringen Abmessungen und zufriedenstellender Wärmeausnutzung ist es bereits bekannt, sowohl das Gleich- als auch das Gegenstromprinzip-gegebenenfalls sogar kombiniert mit dem QuerStromprinzip - in ein und demselben Wärmeaustauscher zu verwenden. Der Einlass für das kalte Medium ist dabei an den Einlass für das warme Medium angrenzend angeordnet, wo ein erster Wärmeübertragungsteil vorgesehen ist. Nach dem Durchgang durch diesen Teil wird das kalte Medium zu einem an den Auslass für das warme Medium angrenzenden Bereich geleitet, wo ein zweiter Wärmeübertragungsteil angeordnet ist, der im wesentlichen nach dem Gleichstromprinzip arbeitet. Dieser Teil erstreckt sich im allgemeinen bis zu dem ersten Teil.

Verschiedene Ausführungen von Wärmeaustauschern dieser Art sind beispielsweise in der amerikanischen Patentschrift 1.673.418 und in der deutschen Auslegeschrift 1.551.553 beschrieben. Den in diesen Druckschriften beschriebenen Einrichtungen ist dabei gemeinsam, dass diese relativ komplizierte Organe haben, mit denen die gewünschte Strömung des die Durch-

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flussröhre umgebenen Mediums - das vorzugsweise das kalte Medium ist erreicht wird, und dass dieses Medium zudem über lange Strecken ohne Berührung mit den Wänden der Durchflussrohre strömt. Letzteres hat zur Folge, dass die Wärmeausnutzung dieser Einrichtungen im Verhältnis zu ihrer Grosse ziemlich gering ist. Ferner strömt nur ein Teil des die Durchflussrohre umgebenden Mediums am heissesten Teil derselben vorbei, was insbesondere dann nachteilig sein kann, wenn sich die Menge dieses Mediums verringert, so dass die Strömungsverhältnisse für das kalte Medium schlechter werden. Die Folge davon ist wiederum eine überhitzung im ersten Wärmeübertragungsteil. Im zweiten Wärmeübertragungsteil kann dafür ferner entweder das kalte Medium eine höhere Temperatur als vorgesehen erreichen, was möglicherweise zu einer Hochtemperaturkorrosion führt oder das wärme Medium kann sich zu sehr abkühlen, was dann zu einer sogenannten Niedrigtemperaturkorrosion führt. Ferner erhöht sich dadurch die Gefahr einer Verstopfung der Rohre.

Es ist ferner bekannt, mit Hilfe von auf der Aussenseite der Durchflussrohre angeordneten radialen oder axialen Flanschen die Strömung des die Rohre umgebenden Mediums so zu steuern, dass sowohl Gleich- als auch Gegenstromabschnitte gebildet sind,wobei die gesamte Menge dieses Mediums die verschiedenen Abschnitte des Wärmeaustauschers durchströmt. Eine Einrichtung dieser Art ist z.B. in der deutschen Patentschrift 1.050.489 gezeigt, insbesondere in Fig. 6. Durch eine derartige Konstruktion erhält der Wärmeaustauscher zwar einen ziemlich kompakten Aufbau, der aber durch die relativ komplizierte Ausbildung der Rohre erkauft werden muss. Hinzu kommt, dass die Montage derartiger Rohre eine grosse Präzision erfordert. Zusätzlich erfordern etwaige Änderungen der Strömungsverhältnisse des kalten Mediums einen völligen Umbau des gesamten Wärmeaustauschers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten betriebssicheren Wärmeaustauscher zum Vorwärmen insbesondere von Verbrennungsluft für ölbeheizte Industrieöfen mittels deren eigenen Abgasen zu schaffen, der trotz seines einfachen Aufbaus eine relativ hohe Wärmeausnutzung er-■oglicht und bei dem die Gefahr einer Hoch- oder Niedrigtemperaturkorrosion nicht auftritt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens eines der Durchflussrohre von den übrigen Rohren durch ein sich vorzugsweise parallel zu diesen erstreckendes Umlenkglied teilweise abgetrennt ist, welches mit dem Aussenmantel durch eine Wand verbunden ist, die Durchbrüche für die Durchflussrohre hat und die den Zwischenraum zwischen dem Aussenmantel und dem Umlenkglied in zwei Räume unterteilt, die im Bereich der Endabschnitte des aktiven wärmeübertragenden Teils des Wärmeaustauschers mit einem Raum in Verbindung stehen, der durch den Aussenmantel und/oder der wandfreien Seite des Umlenkgliedes gebildet ist, und dass zu beiden Seiten der Wand im Aussenmantel Stutzen vorgesehen sind, von denen der eine als Einlass und der andere als Auslass für das wärmeaufnehmende Medium dient.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungebeispiele näher erläutert und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers und

Fig. 2 und 3

einen Längs- bzw. einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Wärmeaustauscher hat einen hohlzylinderformigen Aussenmantel 1 mit konisch ausgebildeten Endabschnitten und einen Innenraum 2, in dem sich mehrere Durchflussrohre 3, 4 befinden. Die Durchflussrohre 3, 4 stehennit ihrem einen Ende mit einem Einlass 5 in Verbindung, durch den ein Medium strömt, das im folgenden als das wärmeabgebende Medium in Form von Abgasen angenommen wird. Mit ihrem anderen Ende stehen die Rohre 3, 4 mit einem Auslass 6 in Verbindung, durch den das wärmeabgebende Medium wieder aus dem Wärmeaustauscher ausströat. Während des Betriebes durchströmt das genannte Medium die Rohre 3, 4 und verteilt sich

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dabei gleichmässig auf diese. Die Strömung des wärmeabgebenden Mediums ist durch Pfeile in Fig« I angedeutet.

Der Innenraum 2 des Aussenmantels 1 ist in drei Räume I, II und III unterteilt, und zwar durch ein sich parallel zum Aussenmantel 1 erstreckendes plattenförmiges Umlenkglied 7 und durch eine senkrecht zu diesem verlaufende Wand 8, die mit dem Aussenmantel 1 und dem Umlenkglied 7 verbunden ist. Das Umlenkglied 7 trennt dabei die Rohre 3 von den übrigen Rohren 4 derart ab, dass die Räume I und III lediglich im Bereich der Endabschnitte des Umlenkgliedes 7 mit dem Raum II in Verbindung stehen. Die Wand 8 ist mit Durchführungslöchern versehen, durch die die Rohre 4 gesteckt sind.

Das die Durchflussrohre 3, 4 umgebende Medium, das im folgenden als das wärmeaufnehmende Medium in Form von Luft angenommen wird, wird in dem Innenraum 2 durch einen Einlassstutzen 9 eingeleitet, der im Aussenmantel 1 in der Nähe der Wand 8 in axialem Abstand von die Rohre 3, 4 festhaltenden Stirnwänden 10, 11 angeordnet ist. Letztere begrenzen den aktiven wärmeübertragenden Teil des Wärmeaustauschers. Das wärmeaufnehmende Medium tritt dabei zuerst in den Raum I ein, in welchem dieses nach dem Gegenstromprinzip Wärme aufnimmt. Von hier strömt es um den Endabschnitt des Umlenkgliedes herum in den Raum II. In diesem Raum Il wird das Medium nach dem Gleichstromprinzip erwärmt und gelangt sodann über den Zwischenraum zwischen dem anderen Endabschnitt des Umlenkgliedes 7 und der Stirnwand 11 in dem Raum III. Dort wird das Medium wiederum so lange nach dem Gegenstromprinzip erwärmt, bis es schliesslich durch einen Auslassstutzen 12 aus dem Wärmeaustauscher ausströmt, der in der Nähe der Wand 8 auf der im Verhältnis zum Einlassstutzen 9 entgegengesetzten Seite angeordnet ist.

Auf diese Weise werden vorteilhaft nur Teilabschnitte der Durchflussrohre 3, 4 von der ganzen Menge des wärmeaufnehmenden Mediums umspült. Dies bedeutet, dass bei Verwendung dieses Wärmeaustauschers zur Erwärmung von Verbrennungsluft für einen Industrieofen mit Hilfe von dessen Abgasen die Luft im Raum I, welche die Abgase, die durch die in diesem Raum und in

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Raum III befindlichen Rohrabschnitte strömen, auf eine Temperatur abkühlt, die es ermöglicht, im Raum III die Luft bis nahe an die Grenze der Hochtemperaturkorrosion zu erwärmen. Da ferner die gesamte Luftmenge in den Räumen I, II und III nur Teilabschnitte der Durchflussrohre umspült, steigt die Temperatur der Luft im Raum I in beträchtlich geringerem Masse an als die Temperatur der Abgase sinkt. Beim Eintritt in den Raum II trifft dadurch die bereits vorgewärmte gesamte Luftmenge auf diejenigen Durchflussrohre auf, in denen die Abgase wiederum mit ihrer höchsten Temperatur strömen. Im Raum II erfolgt - wie erwähnt - die Wärmeausnutzung nach dem Gleichstromprinzip, wodurch die Temperatur der Rohre nahezu konstant und annähernd auf dem gleichen Wert wie am Einlass in diesem Raum gehalten werden kann. Im Raum III treten die Abgase mit einer gegenüber der Anfangstemperatur niedrigeren Temperatur ein und werden danach noch weiter abgekühlt.

Durch die angegebene Verteilung der Durchflussrohre auf die Räume I, II und III, sowie durch die mittige Anordnung der Wand 8 zwischen den Stirnwänden 10 und 11 werden Verhältnisse geschaffen, bei denen eine Hochtemperaturkorrosion selbst dann mit Sicherheit nicht auftritt, wenn die Gasmengen innerhalb weiter Grenzen schwanken. Falls in erster Linie eine Niedrigtemperaturkorrosion im Wärmeaustauscher verhindert werden soll, kann das kalte Medium auch in entgegengesetzter Richtung in den Wärmeaustauscher geleitet werden; das heisst, erst durch den Raum III unter Ausnutzung des Gleichstromprinzips, dann durch den Raum II unter Ausnutzung des Gegenstromprinzips und schliesslich durch den Raum I unter Ausnutzung des Gleichstromprinzips.

In Fig. 2 und y ist eine zweite Ausführungsform eines Wärmeaustauschers gezeigt. Dieser besitzt im wesentlichen einen rohrförmigen Aussenmantel 13, in dem Durchflussrohre 14, 15 angeordnet sind. Innerhalb des Aussenmantels 13 ist konzentrisch zu diesem ein rohrförmiges Umlenkglied 16 vorgesehen, welches die mit 15 bezeichneten Durchflussrohre teilweise umschliesst. Das Umlenkglied 16 ist mit dem Aussenmantel 13 durch eine den ringförmigen Raum zwischen diesen abteilende Wand 17 verbunden, welche mit

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Durchlässen für die Durchflussrohre 14 versehen ist. Das Umlenkglied 16 und die Wand 17 unterteilen den gesammten Raum innerhalb des Aussenmantels 13 in drei Räume, welche entsprechend der Ausführungsform in Fig. 1 mit I, II und III bezeichnet sind. Der Raum II wird jedoch hier durch die Innenfläche des Umlenkgliedes 16 begrenzt. Die Ein- und Auslassstutzen für das die Durchflussrohre umgebende Medium sind hier mit 18 un 19 bezeichnet und ähnlich wie in Fig. 1 ist die Strömung der verschiedenen Medien durch Pfeile angedeutet.

Die Arbeitsweise dieses Wärmeaustauschers entspricht der des Wärmeaustauschers nach Fig. 1. Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse des die Rohre 14 umgebenden Mediums sind im Ringraum zwischen dem Umlenkglied 16 und dem Aussenmantel 13 Strömungsleitflügel 20 vorgesehen, die parallel zu den Rohren 14 verlaufen. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass das die Durchflussrohre 14 umspülende Medium beim Durchgang durch die drei Räume immer über den Querschnitt des Wärmeaustauschers gleichmässig verteilt wird, was die Wärmeübertragung um einiges verbessert.

Soll der Wärmeaustauscher an einen Ofen angeschlossen werden, dessen Abgase vor dem Eintritt in den Wärmeaustauscher eine sehr hohe Temperatur haben, oder sollen die Gase zum Zwecke einer weiteren Energieausnutzung auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden als es durch die Erwärmung der Verbrennungsluft erreicht werden kann, so ist es auch möglich, die Umlenkglieder ganz oder teilweise sowie gegebenenfalls die Strömungsleitflügel mit Kanälen für Kühlwasser zu versehen. Das Kühlwasser kann dabei seinerseits beispielsweise zu Beheizung von Arbeitsräumen ausgenützt werden.

Die Ausführung des Wärmeaustauschers gemäss vorstehender Beschreibung hat den Vorteil, dass dieser aus verhältnismässig einfach herzustellenden Bauteilen, wie Rohren und Blechen, leicht zusammengesetzt werden kann. Ferner kann zur Anpassung an verschiedene Temperatur- und Strömungsverhältnisse die Anordnung der Ein- und Auslassstutzen für das die Durchflussrohre umgebende Medium praktisch entlang des ganzen aktiven Bereichs des Warne-

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austauschers frei gewählt werden, ohne dass hierfür wesentliche Änderungen der Ausbildung der Bauteile desselben erforderlich sind.

Bei Annahme der folgenden Werte, ergibt sich nachstehend als Beispiel folgende zweckmässige Dimensionierung eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers:

3 Ein ölbeheizter Ofen liefert 1600 Na /h Abgase mit einer Temperatur von 1000 C. Der Wärmeinhalt der Abgase soll zur Erwärmung von 1400 Nm /h Verbrennungsluft von 0 C auf 500 C ausgenützt werden. Es wird angenommen, dass die Oberflächentemperatur der von den Abgasen berührten Flächen höchstens der Durchschnittstemperatur zwischen den Abgasen und der Luft entspricht.

Für einen Wärmeaustauscher gemäss Fig. 2 mit den dort durch die Pfeile angegebenen Strömungsverhältnissen und mit derart gewählten Gas- und Luftge-

2 schwindigkeiten, dass als Wärmedurchgangskoeffizient 35 W/m .K angenommen werden kann, ergeben sich folgende Werte, wenn die niedrigste Temperatur an den Durchflussrohren ca. 150 C übersteigen und die höchste Temperatur an denselben ca. 600 C unterschreiten soll. Die erforderlichen Wärmeüber-

2 2

gangsflächen betragen dann in den Räumen I bis III ca. 4m, ca. 8,5 m und

2 ... ca. 4,5 m , wobei hierbei die austretenden Abgase eine Temperatur von ca.

625 C besitzen.

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Claims

SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH Schweinfurt, 5.8.1975 NL 74 017 DT FR/cj Patentansprüche

1. Wärmeaustauscher aus Metall zur Übertragung der Wärme von einem wärmeabgebenden zu einem wärmeaufnehmenden Median,der innerhalb seines Aussenmantels mehrere vorzugsweise das wärmeabgebende Medium aufnehmende Durchflussrohre hat, die von dem wärmeaufnehmenden Medium umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Durchflussrohre von den übrigen Rohren durch ein sich vorzugsweise parallel zu diesen erstreckendes Umlenkglied (7, 16) teilweise abgetrennt ist, welches mit dem Aussenmantel (I, 13) durch eine Wand (8, 17) verbunden ist, die Durchbrüche für die Durchflussrohre hat und die den Zwischenraum zwischen dem Aussenmantel (1, 13) und dem Umlenkglied (7, 16) in zwei Räume (I,III) unterteilt, die im Bereich der Endabschnitte des aktiven wärmeübertragenden Teils des Wärmeaustauschers mit einem Raum (II) in Verbindung stehen, der durch den Aussenmantel (1, 13) und/oder der wandfreien Seite des Umlenkgliedes (7, 16) gebildet ist, und dass zu beiden Seiten der Wand (8, 17) im Aussenmantel (1, 13) Stutzen (9, 12, 18, 19) vorgesehen sind,

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von denen der eine als Einlass (9, 18) und der anderen als Auslass (12, 19) für das wärmeaufnehmende Medium dient.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkglied (7) plattenförmig ausgebildet ist und die Wand (8) im wesentlichen senkrecht zu diesem verläuft.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkglied (16) rohrförmig ausgebildet ist und im wesentlichen konzentrisch zu dem Aussenmantel (13) verläuft.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rohren mit dem Umlenkglied (7, 16) und/oder dem Aussenmantel (1, 13) verbundende,parallel zu den Rohren verlaufende Strömungsleitflügel (20) vorgesehen sind.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkglied (7, 16) und gegebenenfalls auch die Strömungsleitflügel (20) Kanäle für Kühlwasser aufweisen.

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