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Wärmeaustauscher zur Erwärmung eines Gases auf höhere Temperaturen
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zur Erwärmung von Gasen auf höhere Temperaturen, welcher sich insbesondere zur Vorwärmung von Luft für die Öfen im Giesserei- und Hüttenwesen eignet.
Es sind zahlreiche Typen von Rekuperatoren bekannt, die bei verschiedenen Öfen benützt werden, wie z. B. Gliederaustauscher, die aus ein-oder beiderseitig gerippten Rohren zusammengesetzt sind, Strahlungsrekuperatoren, Rohr- und Platten-Austauscher, Thermoblöcke usw. Für die Winderhitzung bei Kuppelöfen wurden jedoch in den letzten Jahren mit Erfolg nur Rekuperatoren aus gegossenen Rippenrohren, fallweise bei kleinen Ofendurchmessern Strahlungsrekuperatoren verwendet. Andere Typen, insbesondere Plattenaustauscher, haben sich wegen ihrer Unverlässlichkeit is; Betrieb und kurzer Lebensdauer nicht bewährt.
Die Wirkungsweise der Rekuperatoren bei einem Kuppelofen besteht darin, dass der Rekuperator den abgehenden Verbrennungsprodukten Wärme entnimmt und sie in den Arbeitsprozess in der Form eines vorerhitzte Windes zurückführt. Die Vorteile bei dieser Ausnützung der Abfallwärme von Kuppelöfen sind nicht zu bestreiten ; Koksersparnis, wärmeres Metall, kleinerer Schwefelgehalt des Eisen. grössere Ofenleistmig u. dgl.
Die bisherigen Rekuperatoren weisen jedoch gewisse Nachteile auf. Der verlässlichste im Betrieb ist der aus Gliedern bestehende Rekuperator, der aus gusseisernen Rippenrohren zusammengesetzt und, was Gewicht und Ausmasse anbelangt, verhältnismässig anspruchslos ist. Er erfordert an den wärmeausgesetzten
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gen seiner grossen thermischen Trägheit nur für grosse Kuppelöfen mit Dauerbetrieb geeignet. Bei Strah- lun3saustauschern besteht der Nachteil wiederum in ihrer geringen Kompaktheit ; bei grösseren Einheiten beträgt die notwendige Länge für die erforderliche Vorwärmung des Windes sogar mehr als zehn Meter.
Gut bewährt hat sich dieser Typ von Rekuperatoren nur bei der Wärmeübergabe bei Temperaturniveaus um 10000 C und mehr.
Es sind auch Wärmeaustauscher bekannt, bei welchen der Wärmeaustausch nur durch Konvektion in von Luft durchströmten Plattentaschen erfolgt.
Ferner sind auch bereits Wärmeaustauscher bekannt, die aus zwei koaxialen Mänteln bestehen, welche den Grundkörper des Austauschers darstellen und in welchen der Wärmeaustausch durch Strahlung und Konvektion erfolgt. Diese bekannten Wärmeaustauscher weisen den Nachteil auf, dass sie sehr leicht verunreinigt werden und schwer zu reinigen sind.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile der bekannten Wärmeaustauscher. Die Erfindung betrifft einen Rekuperator, der seiner Type nach für verschiedene Ofengrössen geeignet ist und der seinem Volumen, Gewicht und insbesondere Preis nach den bestehenden Wärmeaustauschern überlegen ist. In seiner Bauweise ist er sehr einfach, so dass jedes Unternehmen denselben für eigenen Bedarf in eigenen Werkstätten herstellen kann.
Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht bei einem aus zwei koaxialen Mänteln bestehenden Wärmeaustauscher darin, dass zwischen den zwei Mänteln Raum für den Durchfluss des beheizten Gases (Luft) von oben nach unten unter mehrmaliger Umlenkung vorgesehen ist, wobei nach innen ragend im oberen Teil
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des Innenmantels die Austauschfläche des Konvektionsabschnittes, bestehend aus im Innern durch beheiztes Gas (Luft) durchflossenen Plattentaschen angeordnet ist und im unteren Teil der Innenmantel selbst die Austauschfläche des Strahlungsabschnittes bildet, wobei das wärmetragende Medium (z. B. die Verbrennungsprodukte) den Austauscher innerhalb des Innenmantels von unten nach oben durchströmt.
Der Strahlungsteil des Austauschers kühlt teilweise die heissen Verbrennungsprodukte und gleichzeitig kühlt er durch Strahlung den Eintrittsteil des Konvektionsabschnittes, was zusammen mit weiteren baulichen Massnahmen die Wandtemperaturen auch bei hohen Temperaturniveaus der wärmetragenden Medien herabsetzt. Zum Bau des Austauschers können dann auch nicht legierte Stähle mit geeigneter Oberflächenbehandlung verwendet werden.
Das Prinzip der Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen axiale Längsschnitte durch den Austauscher in zwei zueinander senkrechten Ebenen, Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der in Fig. 1 strichpunktiert gezeichneten Linien und Fig. 4 stellt in grösserem Massstab das in Fig. 2 mit A bezeichnete Detail dar.
Den Grundkörper des Austauschers bilden im wesentlichen zwei gleichachsige. im vorliegenden Falle zylindrische Mäntel 1 und 2, zwischen welchen der ringförmige Raum Kanäle für den Durchfluss des zu beheizenden Mediums bildet. Der Unterteil des inneren'Tragmantelsl bildet gleichzeitig die Grundheizfläche des Strahlungsabschnittes des Austauschers I, während der obere Teil des Mantels 1 den den Kon-
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Der Konvektionsabschnitt n des Austauschers besteht aus zwei oder mehreren Systemen von plattenförmigen Taschen 4, die in den Hauptmantel l des Austauschers eingeschweisst sind. Die Richtung der Strömung des beheizten Mediums in den Taschen 4 wird von mittleren Umlenkwänden 5 beherrscht, wel- che in dem ringförmigen Raum zwischen den Mänteln 1 und 2 in Ringe mit einer verschiebbaren Blechdichtung8 am Umfang des äusseren Mantels 2 übergehen. Durch diese Anordnung wird eine freie Ausdehnung unter Einfluss der Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Mänteln ermöglicht.
Die mittleren Umlenkwände 5 ragen in die einzelnen Taschen 4 mit ungleicher Länge ein. Zur Erreichung eines gleichmässigen Luftdurchflusses in den nebeneinanderliegenden Taschen 4 einer Taschengruppe ist bei den aussen liegenden, kurzen Taschen die Länge dieser Umlenkwände 5 im Verhältnis zur waagrechten Taschenlänge grosser als bei den innenliegenden langen Taschen. Die Länge der Umlenkwände5 nimmt von oben nach unten fortschreitend von Tasche zu Tasche zu, so dass der Durchflussquerschnitt in den durch dieselben begrenzten Kanäle sich entgegen der Stromungsrichtung der Verbrennungsproduk- te verringert, wodurch eine weitere Herabsetzung der Temperatur der den Strahlungsflächen des Austauschers nahen Wände erreicht wird.
Ausserdem sind an der, der Luft zugekehrten Seite die Anlaufstirnkanten 7 der plattenförmigen Taschen 4 am Eintritt der Verbrennungsprodukte in den Konvektionsabschnitt des Austauschers mit Kühlrippen versehen und durch Anprallschilde 9 abgeschirmt. Zum Ausgleich der Strömung bei der Umkehr des Luftdurchflusses sind in den tieferen Taschen Leitschaufeln 6 an die Wand angeschweisst.
In dem Strahlungs abschnitt I des Austauschers ist zwischen die Mäntel 1 und 2 eine gleichrichtende zylindrische oer kegelförmige Einlage 3 eingebaut, die den ringförmigen Raum zwischen den beiden
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beheizenden Mediums und dadurch auch die Geschwindigkeit der Umspiilung der Wärmeaustauschflächen geändert werden, wobei die Geschwindigkeit der Umspülung den Wärmeübertritt und daher auch die Temperatur der Wand 1 des Strahlungsabschnittes I unmittelbar beeinflusst.
Zur Erreichung der"gewün8chtenKühlwirkung des Strahlungs abschnittes I bei einer richtigen Wirkungsweise des Austauschers muss die Oberflächentemperatur des Innenmantels 1 niedriger als die Oberflächentemperatur der Anlaufstirnkanten 7 des Konvektionsabschnittes II des Austauschers sein. Bei hohen Temperaturen der Wärmeaustauschmedien kann man durch Wahl einer kegelförmigen Gestalt der Einlage am Austritt eine erhöhte Geschwindigkeit des zu beheizenden Mediums und dadurch auch eine Herabsetzung der örtlichen Temperatur der Wand 1 erreichen.
Zur Erzielung eines wirksamen Bestrahlungswinkels der Platten 4 in dem Konvektionsabschnitt II des Austauschers muss das Verhältnis der Länge des Strahlungsabschnittes I zum Durchmesser oder zur Diagonale des Innenmantels 1 in der Übergangsebene zwischen den beiden Abschnitten gleich oder grösser als 1, 2 sein.
Die Mäntel1 und 2 sind an einem Ende mit einem Dilatationsstück 12 verbunden, das eine verschiedene Ausdehnung infolge ungleicher Wärmebeanspruchung ermöglicht.
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Die Lufteintritte in die übereinanderliegenden Plattengruppen des Austauschers sind gegeneinander um 1800 versetzt, damit eine gleichmässige Füllung der Taschen erzielt wird und die durchströmende Luft die beiden Hauptmäntel des Austauschers umspülen muss, deren Flächen auf diese Weise in bedeutendem Masse zur Wärmeübertragung beitragen.
Die Luft tritt in den Austauscher durch den Zuführungsstutzen 10 ein, strömt in der Richtung der mit vollen Linien gezeichneten Pfeile durch den ringförmigen Raum zwischen den Mänteln 1 und 2 auf die gegenüberliegende Seite und tritt in die oberste Plattengruppe ein ; nach ihrem Austritt aus dieser Gruppe umspült sie wiederum den Mantel 1 und tritt dann in die zweite darunterliegende Gruppe ein. Nach dem Austritt aus der zweiten Plattengruppe fliesst sie in etwa axialer Richtung durch den Strahlungsabschnitt I ) des Austauschers hindurch, worauf sie durch den gegenüber dem Zuführungsstutzen um 1800 versetzten Stutzen 11 austritt. Die Verbrennungsprodukte strömen durch den Innenraum des Austauschermantels im Gegenstrom entlang der strichliert gezeichneten Pfeile hindurch.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Wärmeaustauscher zur Erwärmung eines Gases auf höhere Temperaturen, insbesondere zum Vorwärmen eines Gases durch Verbrennungsprodukte, bestehend aus zwei koaxialen Mänteln, welche den i Grundkörper des Austauschers darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Mänteln (1, 2) Raum für den Durchfluss des beheizten Gases (Luft) von oben nach unten unter mehrmaliger Umlenkung vorgesehen ist, wobei nach innen ragend im oberen Teil des Innenmantels (1) die Austauschfläche des Konvektionsabschnittes (II), bestehend aus im Innern durch beheiztes Gas (Luft) durchflossene Plattentaschen (4), angeordnet ist und im unteren Teil der Innenmantel (1) selbst die Austauschfläche des Strahlungsabschnittes (I) bildet, wobei das wärmetragende Medium (z. B. die Verbrennungsprodukte) den Austauscher innerhalb des Innenmantels von unten nach oben durchströmt.