DE9405062U1

DE9405062U1 - Wärmetauscherrohr für Heizkessel

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Publication number: DE9405062U1
Application number: DE9405062U
Authority: DE
Original assignee: Hoval Interliz AG
Current assignee: Hoval Interliz AG
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2004-03-25
Also published as: JPH09507708A; WO1995025937A1; NZ282800A; FI963772A0; HRP950131B1; NO963993L; SK281996B6; CA2186270A1; LV12025B; GR3026039T3; DK0752088T3; CN1120347C; ATE160628T1; CN1144558A; HRP950131A2; AU678713B2; LV12025A; PL178916B1; CA2186270C; JP3016866B2

Description

Hoval InterLiz AG, Vaduz

Wärmetauscherrohr für Heizkessel Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr für Heizkessel, insbesondere für Gas-Brennwert kesse I, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Brennwertkesse Ln, die hauptsächlich bei mit einer Gasfeuerung betriebenen Heizkesseln vorkommen, werden die Verbrennungsgase bis zur Kondensation der Abgasfeuchtigkeit abgekühlt, um auch die Kondensationswärme auszunutzen, Voraussetzung dafür ist, daß der Heizkessel mit einer Kesselwassertemperatur betrieben wird, die am Ende des Verbrennungsgasweges durch den Heizkessel niedriger ist als die Taupunkttemperatur der Verbrennungsgase. Man ist bestrebt, auf einem möglichst kurzen Weg der Verbrennungsgase durch die wassergekühlten Wärmetauscherrohre des Heizkessels die Verbrennungsgase von der hohen Eintrittstemperatur, die bei neuzeitlichen Gasbrennern bei etwa 850 ⁰C liegen kann, auf die zwischen der Taupunkt temperatur und der am Heizwasserrück Lauf des Heizkessels mit z. B. 30 ⁰C herrschenden niedrigsten Kesse lwassertemperatur abzukühlen. Bekannt sind dazu Wärmetauscherrohre, die aus einem zylindrischen glattwandigen Außenrohr aus einem gegen das Abgaskondensat säurekorrosionsbeständigem Stahl und einem in das Außenrohr eingeschobenen, im Querschnitt sternförmigen Profileinsatz aus Aluminium bestehen. Für Heizkessel der meist gebräuchlichen Bauweise muß das Außenrohr aus Stahl bestehen, um an seinen Enden in Rohrboden bzw. Rohrplatten eingeschweißt werden zu können, die den die Wärmetauscherrohre umgebenden Kesse I wasser raum einerseits von der Brennkammer und andererseits von dem Abgassammler des Heizkessels trennen. Das Verbundrohr aus Stahl-Außenrohr und Aluminium-

ProfiLeinsat&zgr; kann mit hohen Gaseintrittstemperaturen beaufschlagt werden, weil Aluminium einen größeren Ausdehnungskoeffizienten hat als Stahl/ so daß der Profileinsatz an seinen Berührungsstellen mit dem Außenrohr mit einem bei steigender Temperatur sogar stärker werdenden Druck mit dem Außenrohr in wärmeleitendem Kontakt bleibt. Bei dem bekannten Verbundrohr ist der Wärmeübergang von dem sternförmigen Aluminium-Profileinsatz an das Stahl-Außenrohr dadurch bestimmt und begrenzt, daß -&eegr; der Profileinsatz das Außenrohr nur an den Kammflächen der strahlenförmigen Arme des Profileinsatzes berührt, die im Querschnitt verhältnismäßig dünnwandig sind, um einen ausreichenden lichten Querschnitt im Außenrohr für die Verbrennungsgasströmung freizulassen. Es hat -c sich ferner für das Einschweißen des Stahl-Außenrohres in die Rohrplatten als notwendig gezeigt,daß an den Enden des Außenrohres die Enden des sternförmigen Alumini um-Profileinsatzes ausreichend zurückversetzt sein müssen, um zu verhindern, daß die strahlenförmigen Arme on des Aluminium-Profileinsatzes durch die an den Außenrohrenden entstehende Schweißhitze zerstört werden.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Wärmetauscherrohr der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine noch größere Wärmeübertragungsleistung von den Verbrennungsgasen an das Kesselwasser ermöglicht und dabei einfach hergestellt sowie beim Einbau in einen Heizkessel weiterverarbeitet werden kann. Diese Aufgabe löst die Erfindung durch die Ausbildung des als Verbundrohr aus Stahl-Außenrohr und Aluminium-Profileinsatz beschaffenen 3Q Wärmetauscherrohres mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Der rohrkörperförmige Profileinsatz des erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres kann einerseits mit einer sehr großen, von den Verbrennungsgasen wärmeaufnehmende den Innenoberfläche ausgebildet werden, vorzugsweise mit innenseitig an den beiden Halbschalen kammartig angeordneten Rippen, und liegt vor allem im Vergleich zu den

bekannten Sternprofilen mit einer wesentlich größeren Außenoberfläche an der Innenseite des wassergekühlten Stahl-Außenrohres an/ wodurch die Wärmeübertragungsleistung von den Verbrennungsgasen an das Kesselwasser bedeutend gesteigert wird. Es wurde in Versuchen festgestellt/ daß bei einem Brennwertkesse I, bei dem das Rücklauf hei zwasser beim Eintritt in den Heizkessel eine Wassertemperatur von etwa 30 ⁰C hat,, mit einer Rohrlänge des erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres von nur 50 cm erreicht werden kann, daß die mit einer Temperatur von etwa 850 ⁰C in das Wärmetauscherrohr eintretenden Verbrennungsgase in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr auf eine nur noch wenig über der Rück laufwassertemperatur liegende Austrittstemperatur von etwa 48 ⁰C heruntergekühlt werden können. Dieses hervorragende Ergebnis ist mit keinem bisher bekannten und für Brennwertkessel tauglichen Wärmetauscherrohr erreichbar gewesen. Die Kürze des Wärmetauscherrohres führt zu dem weiteren wesentlichen Vorteil^ daß der Brennwertkessel insgesamt bei vertikaler Anordnung der Wärmetauscherrohre niedriger bzw. bei horizontaler Anordnung der Wärmetauscherrohre kürzer und damit raumsparender ausgebildet werden kann. Trotz der Ausbildung des Profileinsatzes mit einer großen Berührungsoberfläche zum Außenrohr und mit einer großen Heizflächendichte im Innern ist der rohrkörperförmige Profileinsatz durch die Unterteilung in zwei Halbschalen und durch die Ausbildung jeder Halbschale mit ihren Rippen als einseitig offenes Profil einfach und preisgünstig herstellbar. Für die Herstellung durch Strangpressen werden keine sogenannten fliegenden Kerne in der Ziehmatrize benötigt/ die daher billig und auch dauerhaltbar wird. Als besonderer Vorteil hat sich für die Weiterverarbeitung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres bzw. für seinen Einbau in einen Heizkessel herausgestellt/ daß beim Einschweißen des Außenrohres in eine Rohrplatte dank der extrem großen Wärmeübergangs-Kontakt f lache und Wärmeableitfähigkeit

des ProfiLeinsatzes keine Zerstörung des Aluminium-Prof i Lei nsatzes eintritt, wenn das Ende des Profileinsatzes bündig bis an das in die Rohrplatte einzuschweißende Ende des Außenrohres heranreicht. Das Wärmetauscherrohr braucht also nicht mit gegenüber den Außenrohrenden zurückversetzten ProfiLeinsatzenden hergestellt zu werden, sondern kann für den Einbau in einen Heizkessel mit einem einfachen geraden Schnitt in der benötigten Länge von hergestellter langer Meterware

ig abgetrennt werden. Die Ausbildung der sich berührenden Längsränder der beiden Halbschalen mit einer aus nutförmigen Vertiefungen und rippenartigen Vorsprüngen bestehenden Art Labyrinthdichtung wird eine Spaltbildung verhindert, durch die Abgas oder Kondensat zwischen

■j 5 den A Lumini um-Profi leinsatz und das Stahl-Außenrohr eindringen und zu einer Spa It korrosion führen könnte. Wenn der ProfiLeinsatz in der einfachsten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres unmittelbar auf der gesamten Umfangsf lache des Rohrkörpers am Außenrohr anliegt, kann die Herstellung des Wärmetauscher roh res in einfacher Weise so erfolgen, daß der Rohrkörper einen Außendurchmesser hat, der im wesentlichen dem Innendurchmesser des Außenrohres entspricht und nur so geringfügig kleiner ist, daß der Rohrkörper mühelos in das Außenrohr eingeschoben werden kann, und daß danach das Außenrohr durch eine bleibende Zusammendruckungsverformung des gesamten Außenrohrumfanges, zum Beispiel durch einen Walz- oder Ziehvorgang, radial zusammengedrückt und gegen den ALuminium-ProfiLeinsat&zgr; angedrückt wird. Hierdurch werden die sich berührenden Längsränder der beiden Halbschalen sowie der Rohrkörper und das Außenrohr dermaßen dicht zusammengepreßt, daß keinerlei Spalt vorhanden ist. Dies ist auch wichtig für die Stirnseiten der durch die Rohrplatten hindurchragenden Enden des Wärmetauscherrohres, damit auch dort kein Abgas oder Kondensat zwischen den Rohrkörper des Aluminium-Profileinsatzes

und das StahL-Außenrohr eindringen kann.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Warmetauscherrohres gekennze i chnet.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Warmetauscherrohres dargestellt. Es zeigt

Figur 1 eine Ausführungsform des Wärmetauscherrohres mit einem unmittelbar am Stahl-Außenrohr anliegenden Aluminium-Profileinsatz;

Figur 2 eine Ausführungsform nach Art der Figur 1 mit einer einfachen zusätzlichen Maßnahme zur Vergrößerung der Innenoberfläche;

Figur 3 eine Ausführungsform mit einem mittelbar über ein Zwischenprofil an dem Außenrohr anliegenden Profileinsatz nach Art der Figur 1.

Das in Figur 1 dargestellte Wärmetauscherrohr besteht aus einem zylindrischen glattwandigen Außenrohr 1 aus einem korrosionsfesten Chromstahl und einem Profileinsatz 2 aus Aluminium. Der Profileinsatz 2 wird von einem Rohrkörper gebildet, der in einer durch die Außenrohr längsachse verlaufenden Teilungsebene in zwei Halbschalen 3, 4 unterteilt ist. Auf ihrer Schaleninnenseite sind die beiden Halbschalen 3 , 4 mit Rippen 5 ausgebildet, die sich in Längsrichtung des Außenrohres 1 erstrecken und so in den lichten Querschnitt des Rohrkörpers hineinragen, daß jede Halbschale 3, 4 mit ihren Rippen 5 ein einseitig offenes Profil bildet, so daß die Halbschalen mit ihren Rippen mit einem Strangpreßwerkzeug bzw., einer Ziehmatrize ohne einen sogenannten fliegenden Kern einfach und billig hergestellt werden können. In besonders vorteilhafter Weise sind die Rippen 5, wie das Ausführungsbeispiel der Figur 1 zeigt, kammartig und senkrecht zu der Teilungsebene stehend an der Innenseite der beiden Halbschalen 3, 4 angeordnet, wobei die Rippen 5 der beiden Halbschalen 3, 4 paarweise einander gegenüberliegen

und sich bis zur oder wenigstens bis in die Nähe der Teilungsebene erstrecken. Insbesondere bei dieser kammartigen Anordnung der Rippen 5 können die Rippen bei der Strangpreßherstellung der Halbschalen mit einer in Längsrichtung des Außenrohres 1 bzw. der Halbschalen 3, 4 verlaufenden riffelartigen OberflächenprofiIierung versehen werden, die eine sehr wirksame Vergrößerung der von den Verbrennungsgasen beaufschlagten wärmeaufnehmenden Innenoberfläche des Profileinsatzes 2

ig ergibt. An ihren in der Teilungsebene sich berührenden Längsrändern 6 sind die beiden Halbschalen 3 , 4 mit nutförmigen Vertiefungen 7 und rippenartigen Vorsprüngen 8 ausgebildet, die senkrecht zur Teilungsebene ineinandersteckbar sind und mit denen die Längsränder in der Art einer Labyrinthdichtung ineinandergreifen. Die Abdichtung der beiden Stoßstellen zwischen den Halbschalenlängsrändern ist wichtig, damit kein Spalt entsteht, durch den Abgas oder Kondensat zwischen den Rohrkörper des Profileinsatzes 2 und das Außenrohr 1 eindringt und dort zu einer Spa 11korrosion führt. Wenn die beiden Halbschalen, wie die Figur 1 veranschaulicht, an dem einen Längsrand mit einer nutförmigen Vertiefung und an dem anderen Längsrand mit einem rippenartigen Vorsprung ausgebildet sind, können die beiden Halbschalen von dem gleichen durch Strangpressen hergestellten Profilstrang in der benötigten Länge abgetrennt werden und paßt die eine Halbschale um 180° in der Längsachse herumgedreht auf die andere Halbschale. Die Figur 1 zeigt das Wärmetauscherrohr der Deutlichkeit halber in noch nicht endgültig fertiggestelltem Zustand. Der aus den beiden Halbschalen 3, 4 zusammengefügte Rohrkörper, der bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 unmittelbar auf seiner gesamten Umfangsf lache am Außenrohr anliegt, ist mit einem Außendurchmesser hergestellt, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohres, damit der Rohrkörper bzw. der Profileinsatz 2 sich problemlos in das Außenrohr einschieben

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Läßt. Danach wird das Außenrohr durch einen WaLz- oder Ziehvorgang auf seinem gesamten Umfang einer radialen bleibenden Zusammendrückungsverformung unterzogen, um das Außenrohr und den Profileinsatz zu einem für die Wärmeübertragung wichtigen intensiven Kontakt der gesamten Außenrohrinnenflache und gesamten Profileinsatzaußenfläche aneinanderzudrücken. Hierdurch werden auch die mit den Vertiefungen und Vorsprüngen ineinandergreifenden Längsränder der beiden Halbschalen derart

•]Q spaltfrei und gegen Abgas oder Kondensat absolut dicht zusammengepreßt, daß nicht einmal in einem Mikroschliff des Querschnitts des fertigen Wärmetauscherrohres eine Naht zwischen den Längsrändern der Halbschalen festzustellen ist. Die spaltfreie Zusammendrückung von Außenrohr und Profileinsatz an den sich berührenden Umfangsflächen verhindert ferner, daß an der Stirnseite des in einen Heizkessel eingebauten Wärmetauscherrohres Abgas oder Kondensat zwischen Außenrohr und Profileinsatz eindringen kann. Die extrem hohe Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmetauscherrohres zwischen Profi Leinsatz und Außenrohr wirkt sich auch für den umgekehrten Wärmefluß beim Einschweißen der Wärme tauscher rohrenden in Rohrboden bzw. Rohrplatten eines Heizkessels überraschend vorteilhaft aus. Einschweißversuche haben gezeigt, daß auch bei bündiger Stirnseite des Aluminium-Profileinsatzes mit dem Chromstahl-Außenrohr das Aluminium erstaunlicherweise nicht beschädigt wird oder wegschmilzt, obwohl das Chromstahlaußenrohr mit flüssiger Schweißwerkstoffschmelze mit der Rohrplatte des Heizkessels verbunden werden muß. Das Wärmetauscherrohr kann deshalb in den für einen Heizkessel benötigten Längen mit einem einfachen geraden Trenn- oder Sägeschnitt oder dergleichen von fertig hergestellter Meterware des Wärmetauscherrohres abgetrennt werden.

Die Figur 2 zeigt ein der Figur 1 ähnliches Ausführungsbeispiel, bei dem die Spitzen der kammartig angeordneten Rippen 5 einen solchen Abstand voneinander

einhalten, daß zwischen die Spitzen ein plattenförmiges Flachprofil 9 aus Aluminium eingelegt werden kann. Die Rippenlänge ist so bemessen, daß beim Zusammenfügen der Halbschalen 3, A zu dem rohrkörperförmigen Profileinsatz die Kammspitzen mit ihren dem Rippenquerschnitt entsprechenden Stirnflächen satt und spaltfrei an das Flachprofil 9 angepreßt werden, um eine zuverlässig wärmeleitende Berührung zwischen dem Flachprofil und den Rippen zu erzeugen. Außerdem können auch die sich

-)0 berührenden Längsränder der beiden Halbschalen so ausgebildet sein, daß sie die Längsränder des Flachprofils einfassen und am fertig hergestellten Wärmetauscherrohr gut wärmeleitend zwischen sich einklemmen. Mit Hilfe des zwischen die Halbschalen eingelegten Flachprofils kann die wärmeaufnehmende Innenoberfläche des Profileinsatzes 2 nochmals in einfacher und billiger Weise um einen erheblichen Betrag in der Größenordnung von 10 % oder mehr vergrößert werden.

Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der ALumi&eegr;ium-ProfiIeinsat&zgr; 2 nach Art der Figur nicht unmittelbar mit seiner Außenseite die Innenseite des Außenrohres 1 berührt, sondern einen den Innendurchmesser des Außenrohres 1 wesentlich unterschreitenden Außendurchmesser aufweist. In dem dadurch gebildeten Ringraum zwischen Außenrohr 1 und Profileinsatz 2 ist ein ringzylindrisches Zwischenprofil 10 aus Aluminium angeordnet. Dieses Zwischenprofil 10 besteht aus einer Rohrwand, die mit ihrer gesamten äußeren Umfangsflache an der gesamten Innenfläche des Außenrohres 1 wärmeleitend anliegt, und einer Mehrzahl von radial an der Innenseite des Rohrkörpers angeordneten Rippen 11, die bis an die Außenseite des Profileinsatzes 2 heranreichen und die Außenseite des Profileinsatzes flächig und wärmeleitend berühren. Das Zwischenprofil 10 ist ähnlich wie der innere Profileinsatz 2 in einer durch die AußenrohrLängsachse verlaufenden Teilungsebene in zwei einseitig offene Zwischenprofi Ihä Iften unter-

teilt, die also auch mit einer einfachen Ziehmatrize ohne fliegenden Kern durch Strangpressen von Aluminium hergestellt werden können« Das Zwischenprofil 10 ist ähnlich wie der anhand der Figur 1 beschriebene Profileinsatz 2 mit abdichtend sich berührenden beziehungsweise ineinandergreifenden Längsrändern der beiden Zwischenprofi IhäIften ausgebildet. Gegenüber der Ausführungsform der Figur 1 kann mit der Ausführungsform der Figur 3 die von den Verbrennungsgasen berührbare und wärmeaufnehmende innere Gesamtoberfläche des Wärmetaus eher rohres um gut 100 '/. gesteigert werden. Dadurch läßt sich die Länge des Wärmetauscherrohres noch weiter wesentlich verkürzen,, um in einem Brennwertkessel die Verbrennungsgase von einer Ei ntrittstemperatur von zum Beispiel 850 ⁰C auf eine deutlich unter der Taupunktgrenze der Verbrennungsgase liegende Austritt stemperatur von zum Beispiel 48 ⁰C abzukühlen.

Claims

Schutzansprüche

1. Wärmetauscherrohr für Heizkessel, insbesondere für Gas-Brennwertkesse L, bestehend aus einem zylindrisehen gLattwandigen Außenrohr (1) aus Stahl, das von den Abgasen der HeizkesseIfeuerung durchströmt wird und außenseitig vom Heizkesselwasser umgeben ist, und einem in das Außenrohr eingeschobenen Profileinsatz (2) aus Aluminium, der zur Vergrößerung der inneren Oberfläche des Außenrohres in dessen Längsrichtung verlaufende Rippen (5) aufweist und mit dem Außenrohr in wärmeleitender Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Profileinsatz (2) aus einem Rohrkörper besteht, der in einer durch

-J5 die Außenrohrlängsachse verlaufenden Teilungsebene in zwei Halbschalen (3,4) unterteilt ist, daß die beiden Halbschalen an ihren sich berührenden Längsrändern (6) mit nutförmigen Vertiefungen (7) und rippenartigen Vorsprüngen (8) ausgebildet sind und

2Q damit senkrecht zur Teilungsebene dichtungsartig ineinandergreifen, und daß beide Halbschalen (3,4) auf ihrer Schaleninnensei te in einer solchen Weise mit in den lichten,Querschnitt des Rohrkörpers hineinragenden, in Längsrichtung des Außenrohres sich erstreckenden Rippen (5) ausgebildet sind, daß jede Halbschale mit ihren Rippen ein einseitig offenes Profil bildet.

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbschalen (3,4) innenseitig mit kammartig angeordneten Rippen (5) ausgebildet sind, die senkrecht zu der Teilungsebene stehen und paarweise einander gegenüberliegend sich bis zur Teilungsebene erstrecken.

3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die beiden Halbschalen (6) je-

weils an einem Längsrand mit einer Abdichtungsnut (7) und am anderen Längsrand (6) mit einer der Nutform angepaßten Abdichtungsrippe (8) ausgebildet sind.

4. Wärmetauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) mit einer in der Längsrichtung des Außenrohres beziehungsweise der Halbschalen verlaufenden riffelartigen Oberflä- -jg chenprof i Iierung versehen sind.

5. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den beiden Halbschalen (3,4) zusammengefügte Profileinsatz (2) einen im wesentliehen dem Innendurchmesser des Außenrohres (1) entsprechenden Außendurchmesser hat und auf seiner gesamten Umfangsflache unmittelbar am Außenrohr anliegt und daß der Profileinsatz (2) durch eine radiale bleibende Zusammendrückungsverformung des gesamten Außenrohrumfanges mit dem Außenrohr <1) zusammengepreßt ist.

6. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Spitzen der kammartigen Rippen (5) der beiden Halbschalen (3,4) ein plattenförmiges Flachprofil (9) aus Aluminium eingelegt ist und die Rippenlänge so bemessen ist, daß beim Zusammenfügen der Halbschalen zu dem Profileinsatz (2) die Kammspitzen wärmeleitend an das Flachprofil angedrückt sind.

7. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Halbschalen (3,4) mit kammartigen Rippen (5) bestehende Profileinsatz (2) einen den Innendurchmesser des Außenrohres (1) wesentlich unterschreitenden Außendurchmesser aufweist und daß in dem Ringraum zwischen dem Profileinsatz (2)

und dem Außenrohr (1) ein ZwischenprofiI (10) aus Aluminium angeordnet ist, welches aus einer an dem Außenrohr (1) anliegenden Rohrwand und mehreren von der Rohrwand ausgehend radial bis an den Profileinsatz (2) heranreichenden Rippen (11) besteht und ebenfalls in einer durch die Außenrohrlängsachse verlaufenden Teilungsebene in zwei einseitig offene ZwischenprofiIhäIften unterteilt ist, die an den Längsrändern ihrer Rohrwand dichtungsartig ausgebildet sind und aneinander liegen, wobei das Zwischenprofil (10) durch eine radiale bleibende Zusammendrückungsverformung des Außenrohres (1) mit diesem sowie mit dem inneren Profileinsatz (2) wärmeleitend zusammengepreßt ist.