[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere Dampferzeuger, mit einem
vertikalen Gaszug und mit mindestens einem von diesem abzweigenden Querzug, wobei
die Begrenzungswände sowohl des Gaszuges als auch des Querzuges aus miteinander dicht
verschweissten, von einem Medium durchströmten Rohren bestehen, wobei die Rohre des
Gaszuges in dessen Längsrichtung verlaufen und wobei von den Wandrohren des vertikalen
Gaszuges einige als Tragrohre dienen und mit ihren oberen Enden mit einem Traggerüst
verbunden sind, wogegen die Rohre des Querzuges - soweit sie in dessen Längsrichtung
verlaufen - an dessen Abzweigstelle aus ihrer jeweiligen Wandebene nach aussen abgebogen
und zu Kollektoren geführt sind.
[0002] Bei bekannten Wärmeübertragern dieser Art, insbesondere bei Dampferzeugern, bleibt
die Wandberohrung des vertikalen Gaszuges von der des Querzuges unabhängig. An den
Stellen, an denen die Wände der beiden Züge zusammentreffen, sind diese mittels eines
eingeschweissten Blechstreifens gasdicht miteinander verbunden. Ausserdem des Gaszuges
werden an diesen Stellen die Rohre der wand)nach aussen abgebogen und getrennten Kollektoren
zugeführt, wobei lediglich die Tragrohre des vertikalen Gaszuges die Oeffnung an der
Abzweigstelle des Querzuges durchqueren und zu den Aufhängestellen im obersten Bereich
des vertikalen Gaszuges weitergeführt werden. Nachteile dieser Konstruktion sind:
- Die Unterbrechung der Wandrohre des vertikalen Gaszuges im Bereich der Abzweigstelle
des Querzuges und ihre Zuführung zu Kollektoren macht einerseits die Konstruktion
komplex und aufwendig und ist andererseits thermodynamisch schlecht, weil ein Teil
der Wandrohre des vertikalen Gaszuges vom Wärmeübertragungsprozess mit dem in den
beiden Zügen strömenden Gas ausgeschlossen wird; dadurch ergibt sich eine ungleichmässige
Verteilung der Wärmeaufnahme in dem die Rohre durchströmenden Medium. Das aus den
abgebogenen Wandrohren und den durchlaufenden Wandrohren des vertikalen Gaszuges austretende
Medium weist dann unterschiedliche Temperaturen auf und seine Durchmischung zur Vergleichmässigung
der Temperaturen kann nur mit Hilfe besonderer, unter Umständen aufwendiger Massnahmen
durchgeführt werden.
- Die Verbindung der beiden Züge mittels des eingeschweissten Blechstreifens führt
zu schwierigen konstruktiven Problemen. Festigkeitsmässig ist eine solche Verbindung
schwierig zu beherrschen, weil jeder der beiden Züge anderen Belastungen ausgesetzt
ist und weil sie unterschiedlichen Wärmedehnungen unterliegen. Im Bereich der Verbindung
können Beanspruchungen auftreten, die Kerbwirkungen ähnlich sind.
[0003] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei dem durch eine konstruktive Vereinfachung der Verbindung im Bereich
der Abzweigstelle des Querzuges diese Verbindung festigkeitsmässig besser beherrschbar
wird und eine Vergleichmässigung der Verteilung der Wärmeaufnahme des die Rohre des
vertikalen Gaszuges durchströmenden Mediums eintritt.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Bereich der Abzweigstelle
des Querzuges die nicht als Tragrohre dienenden Wandrohre des vertikalen Gaszuges
ausserhalb des Querzuges nach aussen abgebogen und gruppenweise jeweils zu einer vertikalen,
zur Längsachse des Querzuges parallelen Ebene geführt sind, in der die Rohre der betreffenden
Gruppe - nochmals abgebogen und den Querzug durchquerend - weitergeführt sind, wobei
die weitergeführten Rohre an ihren Durchdringungsstellen mit der Wand des Querzuges
dicht verschweisst sind, und dass mindestens die Wandpartie des vertikalen Gaszuges,
die sich zwischen der Abzweigstelle des Querzuges und der in der Gaszugwand liegenden
Abbiegestelle der von unten her zum Querzug geführten Wandrohre befindet, durch in
Längsrichtung des Querzuges verlaufende, entsprechend gebogene Wandrohre gefüllt ist.
[0005] Durch diese Gestaltung durchlaufen die aus den Wänden des vertikalen Gaszuges abgebogenen
Rohre den Innenraum des Querzuges und können nun in den gleichen Kollektor wie die
übrigen Wandrohre des vertikalen Gaszuges münden. Dadurch werden alle Wandrohre des
vertikalen Gaszuges im wesentlichen gleich lang und sind dem Gasstrom gleich viel
ausgesetzt, so dass die Temperaturen des aus den Rohren austretenden Mediums vergleichmässigt
werden. Der Uebergang vom vertikalen Gaszug zum Querzug ist konstruktiv so verbessert,
dass eine nahtlose Verbindung zwischen den Wänden der beiden Züge entsteht, was auch
durch das Umbiegen eines Teils der Wandrohre des Querzuges erreicht wird, die damit
zu einem Bestandteil der Wand des vertikalen Gaszuges werden. Damit wird eine wesentliche
festigkeitsmässige Verbesserung der Verbindung zwischen den beiden Gaszügen erreicht.
[0006] Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemässen Gestaltung besteht darin, dass die
Verbindung eine gute Biegeflexibilität erhält, die erlaubt, dass Deformationen, die
zum Beispiel durch unterschiedliche Wärmedehnungen der Gaszüge oder durch Erdbeben
hervorgerufen werden, ohne weiteres ausgeglichen werden können. Ein weiterer zusätzlicher
Vorteil ist darin zu sehen, dass sie auf Gaszüge aller möglichen Formen anwendbar
ist, zum Beispiel auf Gaszüge mit polygonalem oder auch zylindrischem Querschnitt.
Sie erlaubt auch einwandfreie Verbindungen zwischen Gaszügen verschiedener Querschnittsformen.
[0007] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich bei den Merkmalen nach
Anspruch 2, da hierbei der Strömungswiderstand des Gases am Uebergang zum Querzug
verringert wird.
[0008] Die Weiterbildung der Erfindung nach dem Anspruch 4 ist hinsichtlich der Rohrführung
besonders einfach und übersichtlich und begünstigt ferner die Vermeidung von Wärmespannungen.
[0009] Aus Gründen der Symmetrie schafft die Ausführungsform mit den Merkmalen des Anspruchs
5 eine weitere wesentliche Vereinfachung des Wärmeübertragers.
[0010] Die Merkmale des Anspruchs 6 führen zu einer sehr einfachen Ausbildung der Durchdringungsstellen
in den Wänden des Querzuges.
[0011] Die Merkmale des Anspruchs 7 stellen eine andere Art der Ausbildung der Durchdringungsstellen
in den Wänden des Querzuges dar.
[0012] Die Auslegung der Wandrohre der beiden Gaszüge nach Anspruch 8 führt zu einer besonders
guten und übersichtlichen Verbindung der Wände des Querzuges mit den Wänden des vertikalen
Gaszuges.
[0013] Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Perspektive eines aus einem vertikalen Gaszug und einem horizontalen Querzug
bestehenden Wärmeübertragers nach der Erfindung,
Fig. 2 ebenfalls perspektivisch einen stark vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1, der
dort mit A bezeichnet ist,
Fig. 3 die Ansicht einer gegenüber den Fig. 1 und 2 abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung und
Fig. 4 je einen Schnitt nach der Linie IV - IV, V - V bis 6 bzw. VI - VI in Fig. 3.
[0014] Gemäss Fig. 1 zweigt von einem vertikalen, hexagonalen Querschnitt aufweisenden Gaszug
1 ein horizontaler, rechteckigen Querschnitt aufweisender Querzug 2 ab, und zwar nahe
dem oberen Ende des Gaszuges 1. Die beiden Züge 1 und 2 umschliessen einen Raum 13
bzw. 23. Die Begrenzungswände 10 des Gaszuges 1 bestehen aus über Stege 3 dicht miteinander
verschweissten, vertikal verlaufenden Wandrohren 11. In regelmässigen Abständen über
den Umfang des Gaszuges 1 verteilt, sind anstelle von Wandrohren 11 Tragrohre 12 vorgesehen,
die gleichen Durchmesser haben können wie die Wandrohre 11. In Fig. 2 sind die Tragrohre
zur besseren Unterscheidung von den Wandrohren 11 dicker als diese gezeichnet. Mittels
der Tragrohre 12 ist der vertikale Gaszug 1 an einem nicht gezeigten Traggerüst aufgehängt.
[0015] Im Bereich der Abzweigstelle des Querzuges 2 verlaufen die Tragrohre 12 durch die
die Räume 13 und 23 verbindende Oeffnung, wogegen die Wandrohre 11 kurz vor dem Zusammentreffen
mit dem Querzug 2 aus den Wänden 10 nach aussen abgebogen sind und anfänglich entlang
einer kurzen horizontalen Strecke parallel zur Längsachse des Querzuges 2 verlaufen
(Abschnitt 11'in Fig. 2). Die kurzen Strecken sind für die einzelnen Rohre verschieden
lang. Danach werden die Rohre nochmals horizontal abgebogen (Abschnitt 11" in Fig.
2) und bis zu einer vertikalen Ebene geführt, die jeweils die Längsachse eines den
Querzug 2 durchquerenden Tragrohres 12 enthält und sich parallel zur Längsachse des
Querzuges erstreckt. Etwa die Hälfte der beiderseits eines solchen Tragrohres 12 befindlichen
Wandrohre 11 ist als Gruppe in der vertikalen Ebene zusammengeführt, die mit dem betreffenden
Tragrohr 12 fluchtet. Die Abschnitte 11" der Rohre 11 erreichen die vertikale Ebene
so,dass sie dort voneinander gleichen Abstand haben. An dieser Stelle werden die Wandrohre
11 dann nach oben abgebogen, so dass sie von da ab vertikal, parallel zum zugehörigen
Tragrohr 12 und mit ihrer Längsachse in der vertikalen Ebene verlaufen (Abschnitt
11"' in Fig. 2). Die bisher für die Unterseite des Querzuges 2 beschriebene Formgebung
der Rohre 11 gilt in spiegelbildlicher Weise auch für die Formgebung der Rohre 11
auf der Oberseite des Querzuges. Die vier den Querzug 2 begrenzenden Wände 20 bestehen
aus Wandrohren 21, die den gleichen Durchmesser wie die Wandrohre 11 aufweisen und
ebenfalls über Stege 33 dicht miteinander verschweisst sind. Die Wandrohre 21 verlaufen
parallel der Längsachse des Querzuges 2. Die Wandrohre 21 der beiden vertikalen Wände
20 sind beim Zusammentreffen mit den Wänden 10 des vertikalen Gaszuges 1 horizontal
nach aussen abgebogen und münden je Wand in einen vertikalen Kollektor 25. An der
Abbiegestelle der Rohre 21 der vertikalen Wände 20 sind diese Rohre mit der betreffenden
Wand 10 gasdicht verschweisst.
[0016] Die Wandrohre 21 der beiden horizontalen Wände 20 sind beim Zusammentreffen mit den
Wänden 10 des vertikalen Gaszuges 1 so abgebogen, dass sie von dieser Abbiegestelle
aus in der betreffenden Wand 10 vertikal weiterlaufen (Abschnitt 21') bis nahe zur
Abbiegestelle des mit ihm fluchtenden Rohres 11 in der Wand 10. Auch die Stege 33
der beiden horizontalen Wände 20 werden in den vertikalen Wänden 10 des Gaszuges 1
nahtlos weitergeführt, und zwar mit gleicher Stegbreite in derjenigen Wand 10, deren
Ebene mit den Längsachsen der Wandrohre 21 einen rechten Winkel bildet, und mit schmalerer
Stegbreite in den beiden Wänden 10, deren Ebene mit den Längsachsen der auf sie treffenden
Wandrohre 21 einen von 90
0 verschiedenen Winkel bilden. Die Stege 33 aus den horizontalen Wänden 20 sind an
der Abbiegestelle der Rohre 11 mit den aus den Wänden 10 stammenden Stegen 3 dicht
verschweisst. Etwa 0,5 der Stegbreite von der Abbiegestelle der Rohre 11 entfernt
werden die vertikalen Abschnitte 21' der Wandrohre 21 nach aussen abgebogen und parallel
zu den Abschnitten 11' der Wandrohre 11 zu einem oberen bzw. unteren horizontalen
Kollektor 24 geführt. Die Abschnitte 21' mit den zwischen ihnen befindlichen Stegen
33 füllen also die Partie der Wände 10, die zwischen den Abbiegestellen der Rohre
11 und der Abzweigstelle des Querzuges 2 liegt. Durch diese Ausbildung des Uebergangs
vom Gaszug 1 zum Querzug 2 ergibt sich eine festigkeitsmässig ausgezeichnete Verbindung
zwischen den Wänden 10 und den horizontalen Wänden 20. Die vertikalen Abschnitte 11"'
der Wandrohre 11 des vertikalen Gaszuges 1 durchstossen in ihrem weiteren Verlauf
die beiden horizontalen Wände 20 des Querzuges 2, und zwar liegen die Durchstossstellen
einer Gruppe jeweils in einem Steg 33 zwischen zwei Wandrohren 21. An den Durchstossstellen
sind die Abschnitte 11"'mit den Stegen 33 gasdicht zusammengeschweisst. Da die Abschnitte
11"' mit dem zugehörigen Tragrohr 12 fluchten, müssten sie bei geradlinigem Verlauf
auf ein Rohr 21 in der horizontalen Wand 20 stossen. Um dies zu vermeiden, ist jedes
auf ein Tragrohr 12 zulaufende Wandrohr 21 um die Durchstossstellen der Abschnitte
11"' herumgeführt. Ausserdem sind diese Rohre, von denen eines in Fig. 2 rechts dargestellt
und mit 21" bezeichnet ist, vor dem Zusammentreffen mit den betreffenden Tragrohren
12 - das heisst ausserhalb des vertikalen Gaszuges l - aus der horizontalen Wand 20
abgebogen und bis zu ihrer nächsten Abbiegestelle parallel zum Tragrohr 12 geführt.
Auf ihrem Weg zum Kollektor 24 sind die Rohre 21" wieder um die vertikalen Abschnitte
11"' herumgeführt.
[0017] Die Strömung des die Gaszüge 1 und 2 beaufschlagenden Gases ist - unabhängig von
seiner Fliessrichtung - praktisch ungestört. Da sämtliche den Raum 23 durchquerenden
Rohre in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, ist die von ihnen in der
Gasströmung verursachte Störung im wesentlichen identisch mit der Störung, die die
Tragrohre ohnehin verursachen würden und die bekanntlich vernachlässigbar ist. Die
Strecke, auf der die Wandrohre 11 ausserhalb der Gaszüge geführt sind und auf der
sie nicht am Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas teilnehmen, wird dadurch kompensiert,
dass diese Rohre bei ihrem Durchgang durch den Querzug 2 voll in den Gasstrom eintauchen
und dabei mit ihrem ganzen Umfang an dem Wärmeaustausch teilnehmen, statt nur mit
einem Teil des Umfanges, wie dies beim Verlauf in den Wänden 10 der Fall ist.
[0018] Gemäss Fig. 3 bis 6 sind die Wandrohre 11 des vertikalen Gaszuges beiderseits der
Abzweigstelle des Querzuges abwechselnd auf zwei unterschiedlichen Höhenebenen - in
Fig. 3 und 6 mit B und C bezeichnet - abgebogen. Die Abschnitte 21 der schnitte 21'
der Wandrohre 21 der beiden horizontalen Wände 20 des Quer- zuges sind ebenfalls abwechselnd
beiderseits der Abzweigstelle auf zwei verschiedenen Höhenebenen - in Fig. 3 und 6
mit D und E bezeichnet - aus den Wänden 10 des vertikalen Gaszuges abgebogen. Aus
Fig. 4 ist - besser als aus Fig. 2 - das Herumführen der auf je ein Tragrohr 12 zulaufenden
Wandrohre 21" um die Durchstossstellen der Abschnitte 11"' zu erkennen. Die Rohre
21" werden ausserhalb der Ebenen D und E zum Kollektor 24 geführt. Bei der Ausführungsform
nach Fig. 3 bis 6 werden allzu grosse Stegflächen und damit das Entstehen von hohen
Wärmespannungen vermieden.
[0019] Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die obere horizontale
Wand 20 des Querzuges 2, statt nach oben abgebogen, geradlinig weitergeführt werden,
um den oberen Abschluss des vertikalen Gaszuges 1 zu bilden. In diesem Fall werden
die vertikalen Abschnitte 11"' der Wandrohre 11 nach dem Verlassen des Querzuges 2
nicht wieder zur Wand 10 des vertikalen Gaszuges 1 geführt, sondern direkt in einen
Kollektor, in den auch die übrigen, nicht durch den Querzug geführten Wandrohre 11
münden können.
[0020] Die nicht gezeigte Abstützung des Querzuges 2 erfolgt z.B. mittels Tragrahmen, die
an einem Traggerüst befestigt sind.
[0021] Abweichend von dem in Fig. 1 gezeichneten Ausführungsbeispiel können die beiden vertikalen
Wände 20 des Querzuges - statt mit in dessen Längsrichtung verlaufenden Rohren - mit
quer zurLängsrichtung verlaufenden Rohren versehen sein.
1. Wärmeübertrager, insbesondere Dampferzeuger, mit einem vertikalen Gaszug und mit
mindestens einem von diesem abzweigenden Querzug, wobei die Begrenzungswände sowohl
des Gaszuges als auch des Querzuges aus miteinander dicht verschweissten, von einem
Medium durchströmten Rohren bestehen, wobei die Rohre des Gaszuges in dessen Längsrichtung
verlaufen und wobei von den Wandrohren des vertikalen Gaszuges einige als Tragrohre
dienen und mit ihren oberen Enden mit einem Traggerüst verbunden sind, wogegen die
Rohre des Querzuges - soweit sie in dessen Längsrichtung verlaufen - an dessen Abzweigstelle
aus ihrer jeweiligen Wandebene nach aussen abgebogen und zu Kollektoren geführt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Abzweigstelle des Querzuges die nicht
als Tragrohre dienenden Wandrohre des vertikalen Gaszuges ausserhalb des Querzuges
nach aussen abgebogen und gruppenweise jeweils zu einer vertikalen, zur Längsachse
des Querzuges parallelen Ebene geführt sind, in der die Rohre der betreffenden Gruppe
- nochmals abgebogen und den Querzug durchquerend - weitergeführt sind, wobei die
weitergeführten Rohre an ihren Durchdringungsstellen mit der Wand des Querzuges dicht
verschweisst sind, und dass mindestens die Wandpartie des vertikalen Gaszuges, die
sich zwischen der Abzweigstelle des Querzuges und der in der Gaszugwand liegenden
Abbiegestelle der von unten her zum Querzug geführten Wandrohre befindet, durch in
Längsrichtung des Querzuges verlaufende, entsprechend gebogene Wandrohre gefüllt ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Ebenen
jeweils in der Flucht eines die Abzweigstelle des Querzuges durchquerenden Tragrohres
liegt.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den
vertikalen Ebenen weitergeführten Rohre vertikal verlaufen.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abbiegestellender Wandrohre des vertikalen Gaszuges, vorzugsweise beiderseits
des Querzuges, abwechselnd auf mindestens zwei Höhenebenen liegen und die Rohre von
ihren Abbiegestellen aus bis zur zugehörigen vertikalen Ebene im wesentlichen horizontal
verlaufen und dass die die Wandpartie des vertikalen Gaszuges füllenden Rohre des
Querzuges in ihrem zu den Kollektoren führenden Abschnitt ebenfalls im wesentlichen
horizontal verlaufen.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der gruppenweise einer vertikalen Ebene zugeführten Wandrohre des vertikalen
Gaszuges auf beiden Seiten der vertikalen Ebene etwa gleich ist.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit zwischen den Wandrohren eingeschweissten
Stegen, dadurch gekennzeichnet, dass die in den vertikalen Ebenen weitergeführten
Rohre die Wände des Querzuges jeweils im Bereich eines Steges durchdringen.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandrohre des Querzuges, die im Bereich der in den vertikalen Ebenen weitergeführten
Rohre liegen, jeweils um die weitergeführten Rohre herum - in ihrer Wandebene bleibend
- ausgebogen sind.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die nicht als Tragrohre dienenden Wandrohre des vertikalen Gaszuges und die Wandrohre
des Querzuges gleichen Aussendurchmesser aufweisen und dass die Längsachsen der die
Wandpartie des vertikalen Gaszuges füllenden Wandrohre des Querzuges in ihrem vertikalen
Verlauf jeweils mit der Längsachse der Wandrohre des vertikalen Gaszuges zusammenfallen.