EP0131187A2 - Wärmetauscher zur Aufheizung von organischen Wärmeübertragungsmedien - Google Patents

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EP0131187A2
EP0131187A2 EP84107158A EP84107158A EP0131187A2 EP 0131187 A2 EP0131187 A2 EP 0131187A2 EP 84107158 A EP84107158 A EP 84107158A EP 84107158 A EP84107158 A EP 84107158A EP 0131187 A2 EP0131187 A2 EP 0131187A2
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    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
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    • F24H1/40Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/43Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes helically or spirally coiled
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23MCASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/06Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with the heat-exchange conduits forming part of, or being attached to, the tank containing the body of fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • Y10S165/40Shell enclosed conduit assembly
    • Y10S165/439Serially connected conduit assemblies, i.e. no manifold

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for heating, in particular, organic heat transfer media with the aid of combustion gases, consisting of a housing with a jacket, base and cover and at least one pipe register accommodated in the housing, the housing having thermal protection and an inlet and an outlet for the combustion exhaust gases.
  • the flue gases can be generated in a separate combustion chamber or with a burner installed on the floor.
  • the jacket has a reinforcement or lining made of ceramic material, for example, brick, refractory bricks as heat protection.
  • ceramic material for example, brick, refractory bricks
  • an organic heat transfer medium such as a thermal oil
  • the object of the invention is to avoid undesired reheating of the heat transfer medium after switching off the system having the heat exchanger.
  • cooling systems through which a cooling medium flows, at least in regions, on the outside of the jacket, the bottom and the cover, e.g. welded full pipes, cooling jackets or half pipes are arranged, which are attached with their free edges to the relevant components.
  • this invention achieves a 100% containment of the flame with cooled surfaces and thus a lower flame temperature compared to conventional combustion chamber designs. This avoids the environmentally harmful nitrogen oxide pollution associated with higher combustion temperatures.
  • the cooling systems with their free edges on the assigned components, i.e.
  • the jacket, cover and base are welded, in particular on the cover and base, they can be laid in a meandering shape, but also spirally. Otherwise, a version is recommended in which the half-tubes are laid on the jacket as a spiral surrounding the jacket. This arrangement can also be varied with regard to different thermal loads on the individual housing parts in that the half-tubes are laid on the jacket as a spiral with a variable pitch.
  • the spiral will be installed with a small pitch in areas with high thermal loads and the spiral with a larger pitch in areas with lower thermal loads.
  • Versions with burner arrangement or flue gas inlet in the floor and concentrically arranged coils are characterized in that the combustion gases are deflected in the area of the cover. The flue gases then flow through the annular gaps formed by the coils and the cooled jacket to the round gas outlet. Since the greatest heat load on the jacket of the heat exchanger takes place in the area of the flue gas deflection, the spiral of the cooling pipes near the cover should have the smallest slope. The remaining areas of the jacket need to be cooled less, in particular cooling in the jacket area without an annular space can be dispensed with, because here the cooling is carried out by the pipe coil lying on the inside of the jacket.
  • the heat exchanger shown is used to heat organic heat transfer media in particular with the aid of combustion exhaust gases. It exists in its basic structure of a cylindrical steel jacket 1, which is closed at both ends by a cover 2 and a bottom 3.
  • a pipe register 5 is arranged, which consists of a spirally arranged pipe coil, the individual turns 6 of which are arranged close to one another and close to the inside of the jacket 1.
  • the pipe register has in the area of the bottom 3 the inlet connector 7 and extends to shortly before the cover 2.
  • the turns 6 merge into the turns 8 of a second pipe register 9, which is concentric with the first pipe register and around it also with close to one another lying turns 8 is arranged.
  • the second pipe register 9 ends at an outlet connection 15.
  • the jacket extension 12 extends from the cover 2 to approximately half the length of the jacket 1 and is connected to the jacket 1 via a radial flange 14.
  • an outlet connection 10 for the combustion exhaust gases is connected to the annular space 13.
  • the combustion exhaust gases consequently flow from the inlet connection 4 in the base 3 to the cover 2, where they are deflected into the annular space 13, which they leave through the outlet connection 10.
  • the annular space is delimited on the inside by the tightly lying turns 6 of the tube register 5.
  • the bottom 3 has inlet ports 4 for combustion gases of a burner, not shown.
  • cooling tubes are laid on the outside on cover 2 and base 3. These are half-tubes 16 which are welded with their free edges to the outside of cover 2 or base 3.
  • the half pipes 16 are laid in the form of meanders on the cover 2 and the bottom 3.
  • At the ends of the cooling coil there are connecting pieces 17 and 18, respectively, via which the cooling medium can be supplied or removed.
  • the jacket extension 12 also has a cooling coil on the outside in the form of a spiral made from half-tubes 19, which are welded with their free edges to the outside of the jacket extension 12.
  • the spiral has an uneven slope.
  • the slope in the lid area is small because the heat load is greatest there due to the deflection of the combustion exhaust gases.
  • the slope of the spiral becomes increasingly larger in the direction of the radial flange 14.
  • This spiral cooling coil also has connecting pieces 20, 21 through which a corresponding cooling medium can flow in or out.
  • the cooling coils formed by the half pipes 16 and 19 are to be flowed through by the organic heat transfer medium, which also flows through the pipe registers 5 and 9.
  • the organic heat transfer medium also flows through the pipe registers 5 and 9.
  • circuits can be realized in which the heat transfer medium flows first through the tube register 5 and 9 and then through the cooling coils formed by the half tubes 16 and 19 or vice versa.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Aufheizung von insbesondere organischen Wärmeübertragungsmedien mit Hilfe von Verbrennungsabgasen, bestehend aus einem Gehäuse mit Mantel, Boden und Deckel und wenigstens einem im Gehäuse untergebrachten Rohrregister, wobei das Gehäuse einen Wärmeschutz sowie einen Einlaß und einen Auslaß für die Verbrennungsgase aufweist. Um eine unerwünschte Nacherhitzung des Wärmeübertragungsmediums nach Abschaltung der den Wärmetauscher aufweisenden Anlage zu vermeiden, sollen außenseitig auf dem Mantel, dem Boden und dem Deckel wenigstens bereichsweise von einem Kühlmedium durchströmte Kühlsysteme angeordnet sein, die mit ihren freien Rändern an den betreffenden Bauteilen befestigt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Aufheizung von insbesondere organischen Wärmeübertragungsmedien mit Hilfe von Verbrennungsgasen, bestehend aus einem Gehäuse mit Mantel, Boden und Deckel und wenigstens einem im Gehäuse untergebrachten Rohrregister, wobei das Gehäuse einen Wärmeschutz sowie einen Einlaß und einen Auslaß für die Verbrennungsabgase aufweist. Die Rauchgase können in einer separaten Brennkammer oder mit einem am Boden eingebauten Brenner erzeugt werden.
  • Derartige Wärmetauscher sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. In der Regel besitzt der Mantel als Wärmeschutz eine Armierung oder Auskleidung aus keramischem Material, z.B. aus gemauerten feuerfesten Steinen. Daraus ergeben sich zunächst Probleme im Hinblick auf den konstruktiven Aufbau, weil die Ausmauerung einerseits und der metallische Mantel, der in der Regel aus Stahl besteht, andererseits sich bei Wärmebelastung unterschiedlich ausdehnen. Wenn in einem solchen Wärmetauscher ein organisches Wärmeübertragungsmedium verwendet wird, z.B. ein Thermalöl, muß außerdem darauf geachtet werden, daß dieses Wärmeübertragungsmedium nicht überhitzt wird. Während des Betriebes des Wärmetauschers ist das ohne weiteres möglich. Probleme ergeben sich aber beim Abschalten des Wärmetauschers bzw. der diesen aufweisenden Anlage, weil dann der Wärmeschutz bzw. die Ausmauerung des Mantels als Wärmespeicher wirkt und die darin gespeicherte Wärme auch nach dem Abschalten noch an das Wärmeübertragungsmedium abgibt. Das kann zu einer Überhitzung führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine unerwünschte Nacherhitzung des Wärmeübertragungsmediums nach Abschalten der den Wärmetauscher aufweisenden Anlage zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß außenseitig auf den Mantel, den Boden und den Deckel wenigstens bereichsweise von einem Kühlmedium durchströmte Kühlsysteme, z.B. aufgeschweißte Vollrohre, Kühlmäntel oder Halbrohre angeordnet sind, die mit ihren freien Rändern an den betreffenden Bauteilen befestigt sind.
  • Bei diesem Rekuperator kann auf eine Armierung, Ausmauerung od. dgl. vollständig verzichtet werden, weil die außenseitig auf dem Gehäuse angeordneten Kühlsysteme mit dem darin fließenden Kühlmedium den Wärmeschutz übernehmen. Abgesehen davon, daß bei einem derartigen Aufbau die konstruktiven Probleme im Hinblick auf wärmebedingte Dehnungen wesentlich besser beherrscht werden können, findet bei diesem Wärmetauscher auch nach dem Abschalten keine unerwünschte Nacherhitzung des Wärmeübertragungsmediums statt, weil das Gehäuse keine nennenswerte Wärmespeicherkapazität mehr besitzt.
  • Bei Ausführung mit im Boden eingebautem Brenner wird durch diese Erfindung eine 100%-ige Umschließung der Flamme mit gekühlten Flächen und damit eine niedrigere Flammentemperatur gegenüber konventionellen Feuerraumkonstruktionen erreicht. Damit wird die mit höheren Verbrennungstemperaturen verbundene, umweltbelastende Stickoxydbelastung vermieden.
  • Die Kühlsysteme, die mit ihren freien Rändern an den zugeordneten Bauteilen, d.h. Mantel, Deckel und Boden verschweißt sind, können insbesondere auf dem Deckel und dem Boden mäanderförmig, aber auch spiralförmig verlegt sein. Im übrigen empfiehlt sich eine Ausführung, bei der die Halbrohre auf dem Mantel als eine den Mantel umgebende Spirale verlegt sind. Diese Anordnung läßt sich auch im Hinblick auf unterschiedliche Wärmebelastung der einzelnen Gehäuseteile dadurch variieren, daß die Halbrohre auf dem Mantel als Spirale mit veränderlicher Steigung verlegt sind.
  • Dementsprechend wird man in Bereichen hoher Wärmebelastung die Spirale mit kleiner Steigung verlegen und in Bereichen mit geringerer Wärmebelastung die Spirale mit größerer Steigung verlegen.
  • Ausführungen mit Brenneranordnung oder Rauchgaseintritt im Boden und konzentrisch angeordneten Rohrschlangen sind dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkung der Verbrennungsgase im Bereich des Deckels erfolgt. Die Rauchgase strömen anschließend durch die von den Rohrschlangen und dem gekühlten Mantel gebildeten Ringspalte zum Rundgasaustritt. Da die größte Wärmebelastung auf den Mantel des Wärmetauschers im Bereich der Rauchgasumlenkung stattfindet, sollte die Spirale der Kühlrohre in der Nähe des Deckels die kleinste Steigung aufweisen. Die übrigen Bereiche des Mantels brauchen weniger gekühlt werden, insbesondere kann eine Kühlung im Mantelbereich ohne Ringraum entfallen, weil hier die Kühlung von der an der Innenseite des Mantels anliegenden Rohrschlange übernommen wird.
  • Grundsätzlich ist es möglich, daß die Kühlrohre von einem gesonderten Kühlmedium durchströmt sind. Einfacher und erfindungsgemäß bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Kühlrohre vom Wärmeübertragungsmedium selbst durchströmt sind. Je nach den gegebenen Verhältnissen sind dann Schaltungen möglich, bei denen das Wärmeübertragungsmedium zunächst die Rohrregister und dann die Kühlrohre oder umgekehrt durchströmt.
  • Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; die einzige Figur zeigt, teilweise geschnitten, die Ansicht eines Wärmetauschers.
  • Der dargestellte Wärmetauscher dient zur Aufheizung von insbesondere organischen Wärmeübertragungsmedien mit Hilfe von Verbrennungsabgasen. Er besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem zylindrischen Mantel 1 aus Stahl, der an seinen beiden Enden durch einen Deckel 2 und einen Boden 3 verschlossen ist.
  • Im Mantel 1 ist ein Rohrregister 5 angeordnet, welches aus einer spiralig angeordneten Rohrschlange besteht, deren einzelne Windungen 6 dicht an dicht aufeinander sowie dicht an der Innenseite des Mantels 1 angeordnet sind. Das Rohrregister besitzt im Bereich des Bodens 3 die Zulaufstutzen 7 und erstreckt sich bis kurz vor den Deckel 2. Dort gehen die Windungen 6 in die Windungen 8 eines zweiten Rohrregisters 9 über, welches konzentrisch zum ersten Rohrregister und um dieses herum ebenfalls mit dicht an dicht liegenden Windungen 8 angeordnet ist. Das zweite Rohrregister 9 endet an einem Auslaufstutzen 15. Die Mantelerweiterung 12 erstreckt sich vom Deckel 2 bis etwa zur halben Länge des Mantels 1 und ist über einen Radialflansch 14 an den Mantel 1 angeschlossen.
  • Kurz oberhalb des Radialflansches 14 ist an den Ringraum 13 ein Auslaßstutzen 10 für die Verbrennungsabgase angeschlossen. Die Verbrennungsabgase strömen folglich vom Einlaßstutzen 4 im Boden 3 zum Deckel 2, dort werden sie in den Ringraum 13 umgelenkt, den sie durch den Auslaßtstutzen 10 verlassen. Der Ringraum wird innenseitig von den dicht an dicht liegenden Windungen 6 des Rohrregisters 5 begrenzt.
  • Der Boden 3 weist EinlaBstutzen 4 für Verbrennungsabgase eines nicht dargestellten Brenners auf.
  • Um die Wärmebelastung von Deckel 2 und Boden 3 in tragbaren Grenzen zu halten, sind außenseitig auf dem Deckel 2 und dem Boden 3 Kühlrohre verlegt. Es handelt sich dabei um Halbrohre 16, die mit ihren freien Rändern mit den Außenseiten von Deckel 2 bzw. Boden 3 verschweißt sind. Die Halbrohre 16 sind in Form von Mäandern auf dem Deckel 2 und dem Boden 3 verlegt. An den Enden der Kühlschlange befinden sich Anschlußstutzen 17 bzw. 18, über die das Kühlmedium zu- bzw. abgeführt werden kann.
  • Auch die Mantelerweiterung 12 trägt außenseitig eine Kühlschlange in Form einer Spirale aus Halbrohren 19, die mit ihren freien Rändern mit der Außenseite der Mantelerweiterung 12 verschweißt sind. Die Spirale besitzt eine ungleichmäßige Steigung. Im Deckelbereich ist die Steigung klein, weil dort die Wärmebelastung wegen der Umlenkung der Verbrennungsabgase am größten ist. Die Steigung der Spirale wird zunehmend größer in Richtung auf den Radialflansch 14. Auch diese spiralige Kühlschlange besitzt Anschlußstutzen 20,21, durch die ein entsprechendes Kühlmedium zu- bzw. abströmen kann.
  • Nach bevorzugter Ausführung sollen die von den Halbrohren 16 bzw. 19 gebildeten Kühlschlangen von dem organischen Wärmeübertragungsmedium durchströmt sein, welches auch durch die Rohrregister 5 und 9 fließt. Je nach den gegebenen Umständen können dann Schaltungen verwirklicht werden, bei denen das Wärmeübertragungsmedium zunächst durch die Rohrregister 5 und 9 und dann durch die von den Halbrohren 16 bzw. 19 gebildeten Kühlschlangen fließt oder umgekehrt.

Claims (8)

1. Wärmetauscher zur Aufheizung von insbesondere organischen Wärmeübertragungsmedien mit Hilfe von Verbrennungsabgasen, bestehend aus einem Gehäuse mit Mantel, Boden und Deckel und wenigstens einem im Gehäuse untergebrachten Rohrregister, wobei das Gehäuse einen Wärmeschutz sowie einen Einlaß und einen Auslaß für die Verbrennungsgase aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß außenseitig auf dem Mantel (1,12), dem Boden (3) und dem Deckel (2) Kühlsysteme wie z.B. angeschweißte Vollrohre, Kühlmäntel oder Halbrohre angeordnet sind, die mit ihren freien Rändern auf den betreffenden Bauteilen befestigt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlsysteme (16) auf dem Deckel (2) und dem Boden (3) mäanderförmig verlegt sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlsysteme (16) auf dem Deckel (2) und dem Boden (3) spiralförmig verlegt sind.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbrohre oder Vollrohre (16) auf dem Mantel (1,12) als eine den Mantel (1,12) umgebende Spirale verlegt sind.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbrohre oder Vollrohre (19) auf dem Mantel (1,12) als Spirale mit sich verändernder Steigung verlegt sind.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale der Kühlrohre in der Nähe des Deckels (2) die kleinste Steigung aufweist.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Einlaß im Boden und wenigstens zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rohrregistern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Rohrregistern (5,9) sowie zwischen der Rohrschlange (9) und dem Mantel (12) Ringspalte gebildet werden, die an den Rauchgasaustritt (10) anschließen.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen in den Boden eingebauten Brenner.
EP84107158A 1983-07-06 1984-06-22 Wärmetauscher zur Aufheizung von organischen Wärmeübertragungsmedien Expired EP0131187B1 (de)

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