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Wärmeaustauscher zur Erhitzung von Gasen
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher zur Erhitzung von Gasen mit einer in einem länglichen
Gehäuse mit im wesentlichen konstantem Querschnitt in Längsrichtung angeordneten rohrförmigen Haupt- leitwand, die kürzer als das Gehäuse ist. In dem ringförmigen Raum zwischen Gehäuse und Hauptleitwand ist eine sich über deren beide Enden hinaus, jedoch innerhalb des Gehäuses erstreckende wellenförmige
Wand vorgesehen. Die Wellenscheitel liegen parallel zur Längsrichtung des Gehäuses, wobei die äusse- ren Scheitel sich nahe dem Gehäuse befinden bzw. dieses berühren und die inneren Scheitel sich nahe der Hauptleicwand befinden bzw. diese berühren.
Im-Bereich eines Endes der Hauptleitwand und etwa koaxial zu dieser ist eine Brennkammer ange- ordnet, von der aus Verbrennungsgase in den gegenüber dem zu erhitzenden Gas verschlossenen Raum zwischen der wellenförmigen Wand und der Hauptleitwand strömen.
Ziel der Erfindung ist eine Konstruktion solcher Wärmetauscher, die einen geringen Strömungswiderstand gewährleistet, so dass die Anwendung eines Axialverdichters zum Hindurchführen des Gases möglich ist. Weiters soll die Temperatur des abströmenden Gases ohne Beeinträchtigung der Verbrennung zu ändern, der Wärmeverlust auf ein Minimum herabgesetzt, der Wärmetauscher leicht zu reinigen und sein Aufbau einfach sein.
Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss die wellenförrrige Wand sich in Umfangsrichtung nur über einen Teil des ringförmigen Raumes zwischen Gehäuse und Hauptleitwand erstreckt und in dem verbleibenden Teil des ringförmigen Raumes etwa radial verlaufende Verbindungskanäle vorgesehen sind, die den von den Verbrennungsgasen eingenommenen Raum mit dem Abzug verbinden. Die wellenförmige Wand kann aus einer Anzahl von rinnenförmigen Elementen mit im wesentlichen V-förmigem Querschnitt aufgebaut sein. deren Scheitel der Hauptleitwand zugekehrt und deren Schenkel an den Längskanten miteinander verbunden, z. B. verschweisst sind.
In vorteilhafter Weise können die miteinander verbundenen Schenkel einer Anzahl von vorzugsweise in gleichen Winkelabständen angeordneten rinnenförmigen Elementen zur Abstützung der wellenförmigen Wand bis unmittelbar an das Gehäuse herangezogen sein, um ein Einsetzen oder Herausnehmen der wellenförmigen Wand ohne wesentlichen Reibungswiderstand und ohne Verklemmen zu ermöglichen.
Es ergibt einen zweckmässigen Aufbau, wenn die den Verbrennungsgasen zugeordneten, von der wellenförmigen Wand begrenzten Strömungskanäle an den beiden Enden der wellenförmigen Wand mit je einem sternförmig ausgestalteten, ringförmigen Deckel verschlossen sind, die Hauptleitwand in einem Abstand von jedem dieser Deckel endigt, die Brennkammer mit der zentralen Ausnehmung eines Deckels verbunden und das der Brennkammer zugewandte Ende der rohrförmigen Hauptleitwand durch eine kreisförmige Platte abgeschlossen ist.
Die radialen Verbindungskanäle für die Verbrennungsgase können mit längs ihres ganzen Verlaufes annähernd gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet und zwischen diese Kanäle Strömungskanäle für das zu erhitzende Gas verlegt sein, die zur Achse der Hauptleitwand parallel verlaufen und einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweisen, dessen Scheitel die Hauptleitwand berührt oder in ihrer Nähe liegt.
Es ist empfehlenswert, dass sich die Strömungskanäle für das zu erhitzende Gas über die ganze Länge der wellenförmigen Wand erstrecken und zwischen ihnen den Querschnitt einengende Querwände angeordnet sind, die den Strömungsweg der Verbrennungsgase verlängern.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in
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der Zeichnung veranschaulicht sind. Hiebei zeigen sich noch weitere Erfindungsmerkmale. Von den drei Figuren zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Wärmetauscher, Fig. 2 in der linken Hälfte einen Schnitt nach Linie 11-11, in Fig. l, in der rechten Hälfte eine Scimansicht des Wärmerauschers nach Fig. 1 und Fig. 3 in schematisierter Darstellung eine andere Ausführungsform, bei der wenig und stärker erhitztes Gas gemischt wird.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestelltes Wärmetauscher besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 11, das an beiden Seiten mit Flanschen 12 versehen ist, an denen Bolzen 13 zum Befestigen des Gehäuses auf einem Gestell od. dgl. in horizontaler, vertikaler oder schräger Lage aufgeschraubt sind. Innerhalb des Gehäuses ist eine mit diesem koaxiale, zylindrische Hauptleitwand 16 untergebracht.
In dem ringförmigen Raum zwischen dem Gehäuse und der Hauptleitwand ist eine wellenförmige Wand 14 angeordnet, die sich über einen Winkelbereicb A-A (Fig. 2) von beispielsweise 2700 erstreckt. Diese Wand besteht aus einzelnen, rinnenförmigen Elementen, beispielsweise Blechrinnen, von etwa V-förmigem Querschnitt, deren Sohlenscheitel 15 der Hauptleitwand zugekehrt ist. Die Längskanten 17 benachbarter Rinnen sind miteinander verbunden, z. B. verschweisst.
Zwischen den Scheiteln 15 der Wellenwand und der Hauptleitwand 16 ist ein Zwischenraum zur Aufnahme schmaler Ringe 18 belassen, mit deren Hilfe die beiden'Wände gegeneinander abgestützt sind. Jede Rinne begrenzt mit einem Teil der Hauptleitwand einen Strömungskanal 19 von im wesentlichen dreieckförmigem Querschnitt, der an der Innenseite der wellenförmigen Wand liegt und einen Strömungsweg für die Brenngase bildet. Der von der wellenförmigen Wand und dem Gehäuse abgegrenzte Raum, der aus
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ausgeteilt sind, reichen bis an die Innenwandung des Gehäuses, um die wellenförmige Wand in einer Wei- se abzustützen, die ein bequemes Ein- oder Ausbauen ermöglicht.
Die Strömungskanäle 19 sind an ihren Enden mittels ringförmiger Deckel 23,24 von entsprechender Umrissgestalt verschlossen, so dass der Strömungsweg für die von einer weiter'unten beschriebenen Brennkammer 44 kommenden Brenngase von dem Strömungsweg des zu erwärmenden Gases durch die auf beiden Seiten bestrichen wellenförmige Wand getrennt ist. Die Hauptleitwand 16 ist an einer Seite mit einer kreisförmigen Platte 25 verschlossen, die unter Belassung eines Zwischenraumes dem Deckel 24 gegenüberliegt.
Das andere offene Ende 26 der Hauptleitwand liegt kanpp vor dem andern Deckel 23 und den Öffnungen der Strömungskanäle 19 und bietet den Brenngasen einen Zutritt in den vonder Leitwand und der Platte abgegrenzten Raum.
In Nähe des offenen Endes sind an die Hauptleitwand an über einen Teil ihrer Länge (bis 27) erstreckten Öffnungen radiale Verbindungskanäle 28 angesetzt. Diese bis zu dem Gehäuse 11 reichenden Verbindungskanäle sind seitlich von den Schenkeln benachbarter Rinnenprofile 29, z. B. aus Stahlblech begrenzt, deren Scheitel 31 der Hauptleitwand zugekehrt sind und an Ringen 18 anliegen. Solche Rinnenprofilesind längs jenes Bereiches des Umfanges der Hauptleitwand 16 angeordnet, über den sich die wellenförmige Wand 14 nicht erstreckt, im vorliegenden Fall also längs eines Winkelbereiches von 900. Die Brenngase strömen durch die radialen Verbindungskanäle in eine an der Aussenseite des Gehäuses angeordnete Sammelkammer 32 mit einem Abzug 33, durch den sie austreten.
Um die gesamte Kreisringfläche zwischen dem Gehäuse und der Hauptleitwand zur Unterbringung von Wärmetauscherflächennutzbar zu machen, ist an den beiden Längskanten der Schenkel jedes Rinnenprofiles 29 ein Streifen 34 aufgesetzt, z. B. angeschweisst, so dass auch diese Profile Strömungskanäle für das zu erwärmende Gas bilden, die zur Wärme- übertragung beitragen.
Wie dargestellt, haben die Rinnenprofile die gleiche Länge wie die wellenförmige Wand und der Deckel 24 ist gleichzeitig zu ihrem Abschluss herangezogen. Um den kürzesten Weg vom Ende der Brennkammer zu dem Abzug zu verstellen, sind den Querschnitt örtlich verengende und den Stromweg verlängernde Querwände 35,36 in den betreffenden Strömungskanälen angeordnet. Die Rinnenprolile 29 und die Streifen 34 sind mit dem Gehäuse 11 verschraubt.
An dem zentralen Teil des ringförmigen Deckels 23, welcher dem offenen Ende der Hauptleitwand 16 gegenüberliegt, ist ein nach aussen verjüngter Kegelstumpf 39 aufgesetzt, der mit einer abnehmbaren Scheibe 38 verschlossen ist, die nahe den Enden der Strömungskanäle 19 und der Stirnflächen der Rinnenprofile 29 liegt. Das Innere des Hauptleitrohres ist also fallweise zugänglich. Die Scheibe kann mittels eines axial angeordneten Bolzens 42, der an einer die Öffnung der Hauptleitwand 16 überquerenden Stange 43 befestigt ist und einer Schraube 41 gehalten sein.
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Die Brennkammer 44 aus feuerfestem und korrosionsbeständigem Stahl, insbesondere zur Verbrennung von Öl, weist einen zylindrischen Mittelteil auf, an den an jeder Stirnseite ein Kegelstutzen 45 bzw. 46 aufgesetzt ist. Sie ist zur Hauptleitwand 16 bzw. dem Gehäuse koaxial angeordnet. Der vom Wärmetau- scher abgelegene KegeLtutzen 45 ist mittels eines aufgeschraubten Deckels 47 verschlossen, der zu Rei- ) nigungszwecken leicht abgenommen werden kann. Der andere Kegelstutzen 46 ist bis etwa auf den Durch- messer der zylindrischen Hauptleitwand 16 eingezogen und mit dem ringförmigen Deckel 24 der wellen- förmigen Wand 14 gasdicht verbunden.
Ein an die Brennkammer seitlich angesetzter Rohransatz 48 durchsetzt das Gehäuse 11 und dient zum
Einführen eines Ölbrenners.
Zur gegebenenfalls erforderlichen oder wünschenswerten Zufuhr von Sekundärluft kann der Rohransatz
48 von einer kreiszylindrischen Kammer umgeben sein, in die eine Leitung einmündet, deren Durchlass- querschnitt mittels eines eingeschalteten Drossel- oder Absperrorganes, z. B. eines Schiebers oder einer
Klappe, änderbar ist.
Um einen Wärmeübergang von der Brennkammerwandung, insbesondere von dem zylindrischen Mit- i teilteil 44 an das Gehäuse 11 zu verhindern, ist zwischen diesem und der Kammer ein Abschirmrohr 49, z. B. aus Stahlblech angeordnet.
Das zu erhitzende Gas strömt, mit Bezug auf Fig. l, von links nach rechts, d. h. von dem von der
Brennkammer abgelegenen Ende gegen diese, so dass das bereits erwärmte Gas über die Brennkammer streicht. Die Strömung wird durch einen direkt elektrisch al1getriebenenAxialverdichter (nichtdargestellt) erzwungen, welcher vorzugsweise in einer, wie weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist, Verlängerung des Gehäuses 11 angeordnet ist.
Der Verdichter kann am Ausströmende vorgesehen sein, ist jedoch zweckmässig an der Einlassseite angeordnet, weil dadurch die von der hohen Temperatur bedingten Schwierigkeiten bezüglich Schmierung und elektrischer Isolation des Antriebsmotors vermindert und gleichzeitig gesichert ist, dass bei Auftreten irgend einer Gasundichtheit nicht das zu erhitzende Gas in den Raum für die Verbrennungsgase eintritt und diese sich dem Gase zumischen.
Eine Regelung der Temperatur und Fördermenge in einem weiten Bereich kann bei dem Wärmetau- scher nach den Fig. 1 und 2 durch Verwendung eines regelbaren Brenners und eines Motors mit veränder- licher Drehzahl erreicht werden. Der Verdichter kann je nach der geforderten Leistung ein-oder mehr- stufig ausgebildet sein und/oder verstellbare Schaufeln aufweisen.
Ist ein grösserer Förderstrom und ein geringerer Temperaturanstieg gefordert, als mit der Konstruk- tion nach den Fig. l und 2 leicht erreichbar ist, kann die abgeänderte Ausführungsform gemäss Fig. 3 An- wendung finden. Bei diesem Ausführungsbeispiel - die Bezugszeichen für die gleichen Teile entsprechen den Bezugszeichen in den Fig. 1 und 2 - ist das Gehäuse 11 von einem Mantel 51 umschlossen, wobei zwi- schen den beiden Gehäusen ein ringförmiger Raum 52 verbleibt, durch den eine Teilmenge des zu erhit- zenden Gases geblasen wird. Diese Menge wird nicht direkt erhitzt, jedoch in der dem Wärmetauscher folgenden Führung dem Gasanteil zugemischt, der innerhalb des Gehäuses 11 geströmt ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind an den Endflanschen 12a des Mantels 51 Pratzen 13a be- festigt, die den Pratzen 13 nach den Fig. 1 und 2 ähnlich sind. Das gesamte zu erhitzende Gas wird durch einen Axialverdichter 53 gefördert, der hier am Einlassende dargestellt ist, aber auch am Auslassende angeordnet sein könnte, was allerdings zu den erwähnten Schwierigkeiten führen kann. Der Durchmesser des Mantels 51 ist in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Gehäuses 11, dem Strömungswiderstand und den Eigenschaften der von dem Verdichter erzeugten Strömung so gewählt, dass die gewünschten Teilmengen innerhalb und ausserhalb des Gehäuses 11 strömen.
So wie bei dem vorigen Beispiel kann der Verdichter ein-oder mehrstufig sein, bzw. können seine Flügel verstellbar ausgebildet und die Drehzahl des Motors veränderbar sein. Die Abdeckung 49 nach den Fig. 1 und 2 ist bei dieser Ausführung nicht erforderlich, weil das Gehäuse 11 von dem an seiner Aussenseite vorbeistreichenden Gasstrom gekühlt wird.
In beiden Fällen ist der Verdichter samt Motor in geeigneter Weise in einem eigenen Gehäuse, z. B. der Verlängerung 54 in Fig. 3, gelagert, welche mit dem Ende des Gehäuses 11 bzw. des Mantels 51 verschraubt ist. Die gesamte Einheit kann in eine Leitung eingebaut, oder, falls es sich bei dem zu erhitzenden Gas um Luft handelt, mit einem konischen Einlaufstutzen 55 versehen sein.
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