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Keramischer Rekuperator
Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Rekuperator, bei dem im Abstand voneinander an- geordnete Rohrsäulen zur Führung des einen Strömungsmittels, üblicherweise der die Flugasche mitführen- den Abgase, und zwischen diesen Rohrsäulen vorhandene Durchlässe zur Führung des andern Strömungs- mittels, nämlich der vorzuwärmenden Verbrennungsluft, dienen.
Ein solcher Rekuperator ist insbesondere für Industrieöfen, beispielsweise Siemens-Martin-Öfen, ge- eignet.
Zum Aufbau solcher an sich bekannter Rekuperatoren dienten bisher für die Rohrsäulen Rohrsteine mit an ihrem einen Ende vorhandenen Muffen, in die das andere glatte Ende des nächsthöheren Rohrsteins ein- griff. Die so gebildeten Rohrsäulen wurden mittels auf die Muffenvorsprünge aufgelegterwaagrechter Platten gegeneinander abgestützt. Der Umfang der Muffen und die Breite dieser Platten bestimmten den Ab- stand benachbarter Rohrsäulen voneinander bzw. den Querschnitt der Durchlässe zwischen den Rohrsäulen. Die waagrechten Platten bildeten dabei die Leitwände zur Führung des wärmeaufnehmenden Mittels durch den Rekuperator.
An Stelle der mit einem Rohrende fest verbundenen Muffe hat man bei im Querschnitt achteckigen Rohren auch selbständige, muffenartig ausgebildete, insbesondere achteckige Rohrstücke vorgeschlagen, in deren muffenförmige Ausnehmungen sich die gegenüberliegenden Enden zweier aufeinanderstehender Rohrsteine einlegten. Die Rohrsäulen wurden auch hier durch die gleichzeitig als Abstandhalter wirkenden und mit Hilfe von eingelegten Platten als Leitwände dienenden Rohrstücke gegeneinander abgestützt.
Nach einem weiteren Vorschlag können die lotrechten Begrenzungsflächen der Muffen die Mantelflächen eines Sechseckes bilden, wobei die so ausgebildeten Muffen bereits den Rohrabstand bzw. den Durchlassquerschnitt bestimmend aneinanderstossen.
Auch ist ein Rekuperator bekannt, dessen Rohrsteine rechteckiger Grundform, eine Anzahl in Doppelreihe liegender, Luft führender lotrechter Kanäle enthaltend, an ihren beiden Enden umlaufende Auskra - gungen aufweisen, mit deren lotrechten Begrenzungsflächen benachbarte Rohrsteine Durchlässe für das andere Strömungsmittel bildend aneinanderstossen. Die einander gegenüberliegenden Lagerflächen dieser Auskragungen sind mit plattenförmigen, über den Bereich der Luft führenden Kanäle sich erstreckenden Erhöhungen bzw. Vertiefungen versehen, mit denen die übereinanderstehenden Rohrsteine zentriert werden. Die lotrechten Begrenzungsflächen an den Längsseiten der Auskragungen sind mit halbkreisförmigen, zur Aufnahme eines Verbindungsmittels, beispielsweise Mörtel, dienenden Ausnehmungen versehen.
Diese bekannten Rekuperatoren weisen in bezug auf ihren Aufbau und ihre Leistungsfähigkeit aber Nachteile auf. Bei den mit Muffenrohren und zusätzlichen plattenförmigen Abstandhaltern bzw. zwischen übereinanderstehenden Rohrsteinen eingelegten muffenförmigen Rohrstücken erschwert die Vielzahl der Bauelemente den Aufbau des Rekuperators und gefährdet seine Standfestigkeit. Insbesondere gibt aber die Anwendung dieser Muffen oder der mit den plattenförmigen Erhöhungen bzw. Vertiefungen ihrer Lagerflächen versehenen Auskragungen keine Gewähr für absolute Dichte der senkrechten Rohrreihen.
Die Leistungsfähigkeit des Rekuperators hängt aber von der dichten Verbindung zwischen den in den Rohrsäulen übereinanderstehenden Rohrsteinen, weiterhin auch von der Erzielung möglichst geringer Durch-
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lassquerschnitte zwischen den Rohrsäulen ab. Bei den bisher üblichen Rohrenden mit mehreren, in zuein- ander unterschiedlicher Höhe liegenden Dichtflächen besitzt in der Praxis nur eine von diesen Flächen Be- deutung für die dichte Verbindung. Dieses ergibt sich bei den hier erforderlichen keramischen Rohrstei- nen aus dem Formungs- und Brennprozess dieser Rohrsteine, bei dem sich materialbedingt geringe, hier aber bedeutungsvolle Massunterschiede ergeben.
Auch die infolge der Betriebstemperatur des Rekuperators sich ergebende Wärmedehnung bringt es mit sich, dass die Rohrsteine nur an einer der in unterschiedlicher
Höhe liegenden waagrechten Flächen aneinanderstossen und infolgedessen keine Gewähr für die absolute
Dichte der Rohrstösse gegeben ist. Zwischen den lotrechten Flächen muss wieder mit Rücksicht auf das zu formende und zu brennende keramische Material und seine im Betrieb erfolgende Wärmedehnung von vornherein ein Spielraum belassen bleiben, für den eine Mörteldichtung vorgesehen ist. Diese Mörteldichtung wird aber durch das ständige Arbeiten des keramischen Materials infolge wechselnderBetriebstempe- ratur frühzeitig gelockert.
Zudem treten während des Betriebes Verformungen in den Rohrsäulen oder auch in den Rohrsteinen auf, die Seitenkräfte und damit Absprengungen von Teilen der in unterschiedlicher Höhe liegenden Dichtungen der Rohrenden zur Folge haben. Ein diese Absprengungen vermeidender starker Querschnitt bei den die Erhöhungen umschliessenden Rohrenden erfordert einen erheblichen Umfang der Rohrenden. Da dieser Umfang aber die Durchlassquerschnitte zwischen den Rohrsäulen bestimmt, ergeben sich im Verhältnis zum Durchmesser der Rohre bzw. zu ihrer Umfangsfläche für die Strömung des wär- meaufnehmenden Mittels und die angestrebte Wärmeübertragung auf dieses Mittel nachteilig grosse Durch- lassquerschnitte.
Die Verringerung dieser Querschnitte ist somit durch das erforderliche Ausmass des Umfanges der Rohrenden begrenzt.
Die erfindungsgemässe Rekuperatorbauweise vermeidet nicht nur diese Nachteile, sondern sie erleichtert darüber hinaus noch den Aufbau des Rekuperators und verbessert seine Leistungsfähigkeit. Erreicht wird dies bei einem keramischen Rekuperator mit im Abstand voneinander angeordneten Rohrsäulen für das eine Strömungsmittel und zwischen diesen Säulen vorhandenen, zur Führung des andern Strömungsmittels dienenden Durchlässen, wobei die Rohrsteine zur Bildung dieser Durchlässe mit an ihren Enden angeordneten, ein Sechseck bildenden Auskragungen aneinanderstossen, erfindungsgemäss dadurch, dass die beiden Stirnflächen der Rohrsteine an deren durch Flansche verstärkten Enden zur Gänze als Planflächen ausgebildet sind, in denen je eine zur Aufnahme einer elastischen Dichtung dienende zentrische Rille ausgespart ist.
Damit ist mit den im Verhältnis zum Wandquerschnitt der Rohre um ein Vielfaches grösseren Flächen der Rohrflansche eine breite, vollflächig unter der Wirkung des Gewichtsdruckes der Rohrsäule stehende Dichtfläche geschaffen, die mit dem zusätzlichen, in die zentrischen Rillen eingelegten, ebenfalls unter dem Gewichtsdruck der Rohrsäule stehenden elastischen Dichtungsmittel eine absolute Dichte der Rohrsäule an den Rohrstössen gewährleistet. Zunehmender Gewichtsdruck erhöht die Pressung des Dichtungmittels, ohne dass ein durch Temperatureinwirkung bedingtes Arbeiten der Rohre diese Dichtung lockern oder das Dichtungsmittel zum Herausfallen bringen kann. Auftretende seitliche Kräfte können sich frei auswirken.
Die eingelegte Dichtung vermag sich dabei infolge ihrer Elastizität bei dieser Beanspruchung so weit zu verformen, dass sie radiale Verschiebungen der Rohrsteine gegeneinander zulässt, ohne auf die Rohrsteine zerstörende Kräfte auszuüben.
Die Rohrsteine werden mit ihren lotrechten Begrenzungsflächen zunächst nebeneinander und dann in Schichten übereinander gestellt. Dieses Aneinander- und Aufeinanderstellen der so ausgebildeten Flanschenrohre ermöglicht einen überaus einfachen und dabei standfesten Aufbau. Die Rohrsteine können von beiden Enden her in gleicher Weise verwendet werden.
Die vollflächige Dichtung an den PlanflächenderFlansche ermöglicht es, die Breite des Flansches gegenüber der bekannten Ausführung mit in unterschiedlichen Höhen liegenden Dichtflächen gering zu halten, so dass die Rohrsäulen sehr nahe, nur geringe Durchlassquerschnitte freilassend, nebeneinandergestellt werden können. Die Flanschen bilden dabei in an sich bekannter Weise die Leitwände für das quer zu den Rohren geführte Strömungsmittel.
Bei dem erfindungsgemäss ausgebildeten Rekuperator können somit gegenüber der Ausführung mit in unterschiedlichen Höhen Dichtflächen aufweisenden Rohrsteinen wesentlich mehr Rohrsäulen auf der gleichen Rekuperator-Grundfläche untergebracht werden. Damit ist auch der bisherige, zur Rohrheizfläche ungünstig grosse Durchlassquerschnitt für das wärmeaufnehmende Mittel vermieden. Der nunmehr erreichte geringe Durchlassquerschnitt zwischen den Rohrsäulen ermöglicht eine weitgehende Nutzung der Rohrheizfläche für das wärmeaufnehmende Mittel. Infolge der Verringerung des Durchlassquerschnittes zwischen den Rohrsäulen kann durch Begrenzung auf die für die Beheizung des zugehörigen Ofens benötigte Menge die Strömungsgeschwindigkeit für diese Luftmenge wesentlich erhöht werden.
Damit ist infolge
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der sich ergebenden turbulenten Strömung eine wirksame Steigerung des Wärmeüberganges an die die
Rohrheizflächen bestreichende Luft erreicht. Diese Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und der damit verbundene überhöhte Druck der strömenden Luftmenge in dem die Rohrsäulen umgebenden Raum wird durch die grosse Dichtfläche der Rohrflanschendichtung und die unter dem Gewichtsdruck der Rohrsäule stehende elastische Dichtung ermöglicht.
Mit der erfindungsgemässen Rekuperator-Bauweise wird somit eine weit höhere Nutzung der Abgas- wärme auf geringerer Rekuperator-Grundfläche unter vollkommener Dichte der Rohrsäulen bei einem im
Vorwärmraum herrschenden höheren Druck des Strömungsmittels gegenüber dem in den Rohrsäulen herr- schenden Druck der abzuführenden Abgase erreicht.
Die Zeichnungen veranschaulichen die erfindungsgemässe Rekuperatorbauweise an Hand eines Aus- führungsbeispieles. Hiebei zeigt Fig. 1 einen lotrechten Längsschnitt durch einen solchen Rekuperator nach
Linie a-b in Fig. 3, Fig. 2 einen lotrechten Querschnitt durch den Rekuperator nach Linie c-d in Fig. 3,
Fig. 3 einen waagrechten Schnitt durch den Rekuperator nach Linie e-f in Fig. 1 und die Fig. 4 und 5 zei- gen je einen Längs- und Querschnitt durch den erfindungsgemäss ausgebildeten Rekuperator-Rohrstein.
Bei diesem Rekuperator dienen in an sich bekannter Weise die Rohrsäulen zur Führung der Flugasche mitführenden heissen Abgase, während die Verbrennungsluft die Durchlassquerschnitte zwisch en den Rohr- säulen in waagrecht angeordneten Zügen durchströmt.
Der erfindungsgemässe Rekuperator wird ausschliesslich aus den Rohrsteinen 1 gebildet, bei denen, wie die Fig. 4 und 5 in grossem Massstab zeigen, die beiden Stirnflächen an den durch Flansche 2 ver- stärkten Enden der Rohrsteine zur Gänze als Planflächen ausgebildet sind. In den Planflächen ist eine zur
Aufnahme einer elastischen Dichtung dienende zentrische Rille 4 ausgespart. Die äusseren lotrechten Begrenzungsflächen 3 der Flansche 2 bilden ein sechseckiges Prisma. Als elastische Dichtung kann bei- spielsweise Asbestschnur dienen. Der Querschnitt des rohrförmigen Teiles 5 der Rohrsteine 1 ist kreisför- mig ; er kann auch vieleckig, beispielsweise sechs- oder achteckig sein. Beim Aufbau des Rekuperators werden die Rohrsteine 1 schichtweise mit den lotrechten Begrenzungsflächen ihrer Flanschen 2, wie Fig. 3 veranschaulicht, aneinandergestellt.
Das gegenüber Rohrsteinen mit in unterschiedlichen Höhenliegenden
Dichtflächen wesentlich geringere Ausmass der Flansche ermöglicht es, eine grössere Anzahl von Rohrsteinen auf einer geringen Rekuperatorfläche unterzubringen bzw. infolge des geringen Flanschenausmasses den günstigsten Durchlassquerschnitt für das wärmeaufnehmende Mittel zu bestimmen.
Das einfache Aneinanderreihen der Flanschenrohrsteine in den einzelnen Schichten vereinfacht den
Aufbau des Rekuperators. Die in einer Ebene liegende breite Flanschenfläche und die zusätzliche Dichtung in der Rille 4 schaffen unter der Wirkung des Gewichtsdruckes der Rohrsäule die angestrebte absolute Dichte dieser Säulen ; sie ermöglicht es, die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeaufnehmenden Mittels zu erhöhen. Durch den mit der Flanschendichtung erzielten geringen Abstand der Rohrsäulen voneinander können Luftmenge und Strömungsgeschwindigkeit aufeinander abgestimmt werden.
Eine unterhalb der Flanschen 2 zum Flansch hin sich erstreckende Querschnittsverstärkung der Rohrwand stützt die Flanschen sowohl während des Herstellungsprozesses (Formen, Trocknen, Brennen) der Rohrsteine als auch während ihres Transportes und gegen Temperaturbeanspruchungen bei Verwendung der Rohrsteine im Rekuperator.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Keramischer Rekuperator mit im Abstand voneinander angeordneten Rohrsäulen für das eine Strömungsmittel und zwischen diesen Säulen vorhandenen, zur Führung des andern Strömungsmittels dienenden Durchlässen, wobei die Rohrsteine zur Bildung dieser Durchlässe mit an ihren Enden angeordneten, ein Sechseck bildenden Auskragungen aneinanderstossen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stirnflächen der Rohrsteine (1) an deren durch Flansche (2) verstärkten Enden zur Gänze als Planflächen ausgebildet sind, in denen je eine zur Aufnahme einer elastischen Dichtung dienende zentrische Rille (4) ausgespart ist.