EP0230982A2

EP0230982A2 - Zylindrischer, aus Fertigbauteilen gefertigter Wärmetauscher, insbesondere Schornsteinrekuperator

Info

Publication number: EP0230982A2
Application number: EP87100820A
Authority: EP
Inventors: Miklos Kühne; Mucsi Gyorgyi Tircs
Original assignee: Tuezelestechnikai Kutato Es Fejleszto Vallalat
Current assignee: Tuezelestechnikai Kutato Es Fejleszto Vallalat
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1987-08-05
Anticipated expiration: 2007-01-21
Also published as: DE3761399D1; EP0230982A3; ATE49470T1; EP0230982B1; HUT43718A; HU195317B

Abstract

Zylindrischer, aus Fertigbauteiten gefertigter Wärmetauscher, insbesondere Schornsteinrekuperator, der U-förmige, die Innenströmung gewährleistende Wärmeaustauschtaschen (1) mit jeweils einem Eintrittskanal (2) und Austrittskanal (3) und/oder einen durch gegenseitigen Anschluß oder Verbund mit dem Mantelblech (4) gebildeten inneren umhüllenden Zylindermantel (5) aufweist, wobei rings des inneren umhüllenden Zylindermantels (5) ein zylindrischer Außenmantel (6) vorhanden ist und zwischen dem inneren umhüllenden Zylindermantel (5) und dem zylindrischen Außenmantel (6) wenigstens zwei Durchflußräume (8) gebildet sind, die mittels einer ringförmigen Trennwand (7) voneinander abgetrennt sind, bei in Reihen- und/oder Parallelschaltung der Durchflußräume (8) in Abhängigkeit von der Schaltungsweise wenigstens eine kreisförmige und/oder ringförmige Eintrittsöffnung (9) und Austrittsöffnung (10) vorhanden sind und in dem von den radial inneren Enden der Wärmeaustauschtaschen (1) bestimmten Totraum (12) der Wärmeübergabe ein die Strömung verhinderndes Lenkelement (13) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur rekuperativen Wärmeausnutzung von Medien niedriger Temperatur, insbesondere der Wärme von Rauchgasen geeignet ist und die aus dünnen Blechen durch Pressen hergestellte Taschen oder Hohlrippen enthält, aus denen durch die Änderung der Elementenanzahl und Anordnung den Ansprüchen entsprechende Einheiten mit unterschiedlichen Abmessungen und Heizflächengrößen aufgebaut werden können.
Aus der Fachliteratur und aus der Praxis sind zahlreiche Versionen von aus Fertigbauteilen aufbaubaren Wärmetauschern bekannt.
Auf die Erhöhung der in dem Einheitsvolumen unterbringbaren Heizflächen gerichtete Ausführungsformen von Wärmeaustauschern von zahlreichen Firmen - u.a. Kraftanlagen Heidelberg und Corner Schmidt - sind wohlbekannt. Eine ähnliche Lösung ist in der DE-A-3 102 623 beschrieben; bei dieser Lösung sind zum Fördern der Medien aus rechteckig oder wellenlinienförmig gebogenen Blechen beidseitig verschlossene Kanäle mit kleinem Querschnitt ausgestaltet. Aus den derart ausgestalteten Elementen wird z.B. jedes zweite Element auf dem ersten senkrecht orientiert oder mit diesem einen spitzen Winkel einschließend eingebaut, wobei aus den in gleicher Weise orientierten Elementen der Durchflußquerschnitt für das eine bzw. das andere Medium ausgestaltet wird.
Der Nachteil dieser bekannten Anlagen zeigt sich darin, daß die Anpassung der Vorrichtung an die wärmeabgebenden Systeme sowie die Verteilung und Ansammlung der Medien die Gestaltung zahlreicher - an dem Wärmeaustausch nicht teilnehmender - Elemente beanspruchen, wodurch sich der Herstellungsaufwand bedeutend erhöht.
Die In der GB-A-2 048 452 spezifizierte Vorrichtung besteht aus zwei großflächigen z.B. durch Pressen als das Spiegelbild voneinander auf das entsprechende Format ausgestalteten, z.B. durch Schweißen miteinander verbundenen dünnwandigen Blechhälften. Die doppelwandige Konstruktion, die für das eine an den Wärmeaustausch teilnehmende Medium einen Durchflußquerschnitt zwischen den beiden Blechen aufweist und an dem einen Ende mit einem Eintrittsstutzen und an dem anderen Ende mit einem Austrittsstutzen versehen ist, ist in Form einer Spirale gewunden. Die derart ausgestaltete Konstruktion wird in der Ebene der Spirale an beiden Enden verschlossen, und zwar so, daß an dem eInen Ende die Mitte der Spirale freigelassen wird, z.B. für den Eintritt des wärmeabgebenden Mediums, das sich nun verteilend entlang des Mantels strömt und der Linie der Spirale folgt, die Mittelachse der Spirale Immer mehr verläßt und aus dem System durch die sich zwischen den Mänteln befindende Öffnung in tangentialer Richtung austritt.
Die für den Wärmeaustausch charakteristischen Eigenschaften der beschriebenen Vorrichtung sind für solche Medien günstig, bei denen das Volumen des wärmeabgebenden bzw. des wärmeaufnehmenden Mediums stark voneinander abweichen; als solche sollen z.B. ein gasphasiges wärmeabgebendes und ein flüssiges wärmeaufnehmendes Medium erwähnt werden.
Aus dem Wesen der Konstruktion ergibt sich, daß die DurchflußquerSchnitte an der Seite der Wärmeabgabe bzw. der Wärmeaufnahme wesentlich unterschiedlich sind; in dieser Weise können günstige Wärmeaustauschcharakteristiken jedoch keinesfalls gewährleistet werden, wenn das Volumen der beiden Medien annähernd gleich ist. Die Anwendung der Konstruktion wird auch dadurch beeinträchtigt, daß das Abbiegen der doppelwandigen Konstruktion auf das spiralförmige Format mit Schwierigkeiten verbunden ist; die ausgestaltbare Heizfläche wird durch die Möglichkeiten der Herstellung begrenzt, so daß das Anwendungsgebiet nicht groß ist. Die Lösung kann bloß Im Bereich niedrigerer Wärmeleistungen verwendet werden. Es besteht nicht die Möglichkeit, die Konstruktion als Gas-Gas-Wärmetauscher mit entsprechenden Wärmeaustauschparametern einzusetzen.
In der DE-A-2 921 770 ist ein aus zwei spiegelbildlichen Hälften zusammengebautes, im allgemeinen durch Schweißen verbundenes Wärmetauscherelement spezifiziert. Die beiden Hälften bilden eine aus Metall und Kunststoff bestehende lamellare Konstruktion, die ähnlich wie die vorher beschriebene Konstruktion infolge des Verhältnisses zwischen den Durchflußquerschnitten erst dann erfolgreich angewendet werden kann, wenn das Verhältnis der Volumina der an dem Wärmeaustausch teilnehmenden Medien den Anforderungen weitgehend genügt. Zu diesem Zwecke werden Zufuhr und Abfuhr des wärmeabgebenden Mediums besonders ausgestaltet. Die geschilderte Konstruktion kann hauptsächlich als Element kommunaler Heizungsanlagen und nur in einem niedrigen Temperaturbereich eingesetzt werden. Auf diese Tatsache weist übrigens neben der formellen Gestaltung auch der synthetische Überzug der umhüllenden Schale hin.
Aus den aus der DE-B-3 011 011 erkennbaren Elementen können maßbegrenzte, hinsichtlich der Wärmeübergabe günstige Kanäle mit gleichwertigen Durchmessern ausgestaltet werden. Die Kanäle, durch welche die an dem Wärmeaustausch teilnehmenden Medien hindurchströmen, werden durch die Bündelung von eine höchstpräzise Bearbeitung beanspruchenden profilierten Elementen ausgebildet. Der aus den in der Beschreibung spezifizierten Elementen zusammengebaute Wärmetauscher ist ausschließlich zum Wärmeaustausch zwischen solchen Medien geeignet, bei denen der Unterschied zwischen den Temperaturen gering ist; die thermischen Spannungen dürfen keinesfalls zur Deformation der mit höchster Präzision bearbeiteten Elementen führen und auch die sich daraus ergebende Undichtigkeit muß vermieden werden. Die Anlage kann unter den Temperaturverhältnissen des Rauchgases und der Brennluft nicht Verwendung finden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Problem der Zufuhr bzw. der Abfuhr der Medlen überhaupt nicht gelöst wird.
Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt einen Wärmeaustauscher zu schaffen, der aus Fertigbautellen In Kreisform aufgebaut werden kann, bei dem die in dem Einheitsvolumen unterbringbare Heizfläche die größtmögliche Ist und der prinzipiell für jedwelche Paarung von Medien geeignet und verwendbar Ist.
Demnach bezieht sich die Erfindung auf einen aus Fertigbauteilen zusammengebauten zylindrischen Wärmetauscher, Insbesondere auf einen in beliebiger Länge zusammenbaubaren Schornsteinrekupator, der U-förmige, den Innenstrom gewährleistende Wärmeaustauschtaschen oder Hohlrippen, einen EIntrIttskanal bzw. einen Austrittskanal und/oder einen durch den Verbund mit dem Mantelblech ausgestalteten inneren umhüllenden Zylindermantel, einen rings des inneren umhüllenden Zylindermantels angeordneten zylindrischen Außenmantel, zwischen dem Inneren umhüllenden Zylindermantel und dem zylindrischen Außenmantel wenigstens zwei Durchflußräume und die Durchflußräume voneinander trennende ringförmige Trennwände aufweist; werden nun die Durchftußräume in Reihe und/oder parallel geschaltet, sind in Abhängigkeit von der Schaltung wenigstens eine kreisförmige und/oder ringförmige Eintrittsöffnung bzw. Austrittsöffnung vorhanden; in dem von den Innenenden der Wärmeaustauschtaschen bestimmten Totraum der Wärmeübergabe ist wenigstens ein die Strömung dort verhinderndes Lenkelement angeordnet.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 die Seitenansicht und den Halbschnitt eines parallelgeschalteten Wärmetauschers,
Figur 2 die Draufsicht der Wärmeaustauschereinheit aus Fig. 1
Figur 3 einen in Reihe geschalteten Wärmetauscher, teilweise aufgebrochen zur Darstellung der Schaltung der Durchflußräume,
Figur 4 die Verbindung der Eintritts- bzw. Austrittskanäle bei einer zweireihigen parallelen Schaltung,
Figur 5 einen über einen ringförmigen Austrittskanal und Eintrittskanal verfügenden Wärmetauscher, teilweise aufgebrochen dargestellt, und
Figur 6 einen über eine untere ringförmige Eintrittsöffnung verfügenden Wärmetauscher, teilweise aufgebrochen dargestellt.

In dem zylindrischen Wärmetauscher sind in einer, zwei oder mehreren Reihen übereinander die Wärmeaustauschtaschen 1 radial im Kreis angeordnet, die gepreßt und zweckmäßig aus zwei Hälften zusammengeschweißt sind, welche entsprechend Fig. 2 in geringem Abstand voneinander parallel zueinander verlaufen, und die in ihrem Inneren eine entsprechend der gestrichelten Pfeile in Fig. 1 U-förmig in vertikaler Ebene verlaufende Durchströmung gewährleisten. Die Wärmeaustauschtaschen 1 sind entsprechend Fig. 2 in Axialebenen in Umfangsrichtung des Wärmetauschers im Abstand voneinander angeordnet, so daß zwischen ihnen Strömungsräume für das den Wärmetauscher entsprechend Fig. 1 axial durchströmende wärmeabgebende Medium vorhanden sind. Um den Zufluß bzw. den Austritt des Mediums sicherstellen zu können, sind die Wärmeaustauschtaschen 1 jeweils mit einem Fintrittskanal 2 und einem Austrittskanal 3 versehen, die sich radial nach außen trichterförmig erweitern und die über ein gestrecktes Sechskantprofil verfügen, dessen größtes Breitenmaß jenes der Wärmeaustauschtaschen 1 weitgehend übertrifft; die Kanäle sind so ausgebildet, daß das strömende Medium einem möglichst geringen Widerstand ausgesetzt ist.
Bei einem zweireihigen Wärmetauscher sind die Wände der Eintrittskanäle 2 und Austrittskanäle 3 teilweise miteinander verbunden, teilweise schließen sie sich an die Mantelbleche 4 an, wodurch ein umhüllender Zylindermantel 5 entsteht, der auf diese Weise In Richtung der Mittellinie der WärmetauschereinheIt eine zylinderförmige Endfläche bildet.
Selbstverständlich kann die Wärmetauschereinheit auch so ausgestaltet werden, daß die Wärmetauschtaschen nur In einer einzigen Reihe angeordnet sind, wodurch der umhüllende Zylindermantel 5 durch den Anschluß der Wände der EIntrIttskanäle 2 und der Austrittskanäle 3 an die Mantelbleche 4 ausgestaltet wird.
Der in dieser Weise ausgestaltete "Einsatz" wird mit einem zylindrischen Außenmantel 6 umschlossen, der radial Im Abstand von dem umhüllenden Zylindermantel 5 angeordnet Ist, wonach zwischen dem umhüllenden inneren Zylindermantel 5 und dem zylindrischen Außenmantel 6 ringscheibenförmige Trennwände 7 angeordnet werden, die in Radialebenen liegen, wodurch ringförmige Durchflußräume 8 entstehen.
Durch die gegenseitige VerbIndung der Durchflußräume 8 kann ein parallelgeschalteter Wärmetauscher (Figur 1) oder ein in Reihe geschalteter Wärmetauscher (Figur 3) ausgestaltet werden; mit in mehr als zwei Reihen angeordneten Wärmeaustauschtaschen 1 kann auch eine kombinierte Schaltung ausgestaltet werden. Die zweckdienlichen veränderlichen Schaltungsmöglichkeiten erlauben ein einen weiten Kreis umfassendes Anwendungsgebiet. In Abhängigkeit von der Schaltung der Durchflußräume 8 werden die Eintrittsöffnungen 9 und die Austrittsöffnungen 10 unterschiedlich angeordnet.
Bei der Parallelschaltung nach Fig. 1 sind zwei Eintrittsöffnungen und eine Austrittsöffnung 10 vorhanden, und zwar in mit einen am häufigsten verwendeten Reduktor 11 versehener, geflanschter Ausführung.
Bei der Reihenschaltung nach Fig. 3 sind eine Eintrittsöffnung 9 und eine Austrittsöffnung 10 vorgesehen.
Wie es aus Fig. 2 wohl ersichtlich ist, liegen die radial inneren Enden der Wärmeaustauschtaschen 1 an einem Zylindermantel und begrenzen einen Totraum 12 der Wärmeübergabe. Um einen an der Wärmeausnutzung nicht teilnehmenden Mediumstrom vermeiden zu können, wird in dem Totraum 12 der Wärmeübergabe ein die Strömung 13 verhinderndes, zylindrisch geformtes, oder aus mehreren Stücken zusammengesetztes kreis-oder kegelförmiges etc. Lenkelement angeordnet.
Die Eintrittsöffnungen 9 und die Austrittsöffnungen 10 können auch eine andere Form aufweisen.
In Figur 5 ist ein Wärmetauscher dargestellt, bei dem die Eintrittsöffnung 9 und die Austrittsöffnung 10 zweckmäßig entlang des ganzen Umfangs des zylindrischen Außenmantels 6 ringförmig ausgestaltet sind, z.B. durch Perforieren des zylindrischen Außenmantels 6.
Figur 6 stellt einen Wärmetauscher dar, bei dem die Austrittsöffnung 10 in der traditionellen Kreisform ausgestaltet ist, während die Eintrittsöffnung 9 an dem "Bodenteil" des Wärmetauschers in Ringform rings desselben ausgebildet ist. Durch den einander folgenden Einbau der Wärmetauscher in den Schornstein erhalten wir einen im Gegenstrom oder Gleichstrom arbeitenden Rekuperator mit entsprechender Wärmeausnützung; bei aus Blech gefertigten Schornsteinen kann die Konstruktion auch einen Teil des Schornsteinkörpers bilden.

Claims

Zylindrischer, aus Fertigbauteilen gefertigter Wärmetauscher, insbesondere in beliebiger Länge zusammenbaubarer Schornsteinrekuperator, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion U-förmige, die Innenströmung gewährleistende Wärmeaustauschtaschen (1) mit jeweils einem Eintrittskanal (2) und Austrittskanal (3) und/oder einen durch gegenseitigen Anschluß oder Verbund mit dem Mantelblech (4) gebildeten inneren umhüllenden Zylindermantel (5) aufweist, daß rings des inneren umhüllenden Zylindermantels (5) ein zylindrischer Außenmantel (6) vorhanden ist und zwischen dem Inneren umhüllenden Zylindermantel (5) und dem zylindrischen Außenmantel (6) wenigstens zwei Durchflußräume (8) gebildet sind, die mittels einer ringförmigen Trennwand (7) voneinander abgetrennt sind, daß bei in Reihe- und/oder Parallelschaltung der Durchflußräume (8) in Abhängigkeit von der Schaltungsweise wenigstens eine kreisförmige und/oder ringförmige Eintrittsöffnung (9) und Austrittsöffnung (10) vorhanden sind und daß in dem von den radial inneren Enden der Wärmeaustauschtaschen (1) bestimmten Totraum (12) der Wärmeübergabe ein die Strömung verhinderndes Lenkelement (13) angeordnet ist.