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Die Erfindung bezieht sich auf gasbeheizte Röhrenerhitzer für Öfen zur Wärmebehandlung mit chemischen Vorgängen von Metall in überwachter Atmosphäre und genauer auf Strahlungssackrohre.
Es ist ein Strahlungssackrohr bekannt, welches in koaxialer Anordnung ein zentrales Brennstoffrohr, ein zwischen diesem und dem Aussenrohr liegendes, gelochtes Luftrohr und ein aussenliegendes Strahlungsrohr sowie eine Gasbrenneinrichtung enthält. Die letztere befindet sich an der Stirnseite des aussenliegenden Strahlungsrohrs.
Die bekannte Konstruktion des gasbeheizten sackförmigen Strahlungsrohrs besitzt eine Reihe von wesentlichen Nachteilen.
So erlaubt beispielsweise die Konstruktion der Gasbrenneinrichtung, die in Form eines Mischkegels am Ende des Brennstoff- und des Luftrohrs ausgeführt ist, nicht, den Spalt zwischen diesen wesentlich zu vermindern.
Es ist die Abführung eines Teils der Luft über die Stirnfläche des Luftrohrs nicht vorgesehen, wodurch das Luftrohr auf seiner ganzen Länge und besonders am stirnseitigen Teil weniger wirksam gekühlt wird.
Ausserdem besitzt die Gasbrenneinrichtungnur axiale Öffnungen für den Brennstoffaustritt, was praktisch zu einer intensiven Russablagerung am Luftrohr führt.
Gleichmässiges Bohren von Öffnungen auf der ganzen Länge des Luftrohrs gewährleistet kein gleichmässiges Erhitzen des aussenliegenden Strahlungsrohrs, wobei das Verhältnis der Höchst- zur Mindesttemperatur gleich 1, 2 zu l, 3 ist, was beim Einsatz von Strahlungsrohren in Vergütungsöfen unzulässig ist.
Die Wärme der ausströmenden Rauchgase wird nicht wiedergewonnen, was der Grund dafür ist, dass der Wirkungsgrad des Strahlungsrohrs auf mehr als 45 bis 50% nicht erhöht werden kann.
Zum Beseitigen der obenerwähnten Nachteile wurde von uns früher ein gasbeheiztes Strahlungssackrohr vorgeschlagen (UdSSR-Urheberschein Nr. 251743), welches nachstehende, koaxial angeordnete Elemente enthält : einen aussenliegenden Wärmestrahlungskörper und ein Luftleitungsrohr, zwischen deren Wänden eine Brennkammer gebildet ist, ein zentrales Gasrohr, welches einen gasförmigen Brennstoff in die Brennkammer leitet, wobei das Luftleitungsrohr an seinem Ende einen gelochten Boden besitzt, der vom Boden des Wärmestrahlungskörpers etwas absteht, einen gelochten Abschnitt an seinen Seitenwänden für den Durchgang des Luftstroms, der vom äusseren Ende des Luftleitungsrohrs her in die Brennkammer gepumpt wird, und einen Rekuperator, der in der Nachbarschaft mit dem gelochten Abschnitt in der Zone, in der die Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer austreten, angeordnet ist.
Es ist ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Strahlungsrohrkonstruktion, dass das zentrale Brennstoffrohr und das in ihm befindliche Gas am geschlossenen Ende des aussenliegenden Strahlungsrohrs unerwünschterweise auf eine Temperatur, die in der Nähe der Temperatur der Strahlungsfläche liegt, erhitzt werden.
Die Folge hievon ist, dass das Naturgas thermisch zerlegt wird und dass sich das zentrale Brennstoffrohr mit ungebundenem Kohlenstoff verstopft.
Es ist das Ziel der Erfindung, diese und sonstige Nachteile zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere und hochwirksame Konstruktion eines gasbeheizten Strahlungserhitzers durch Verbesserung der Kühlung des zentralen Brennstoffrohrs zu schaffen, wobei das Ausfallen von Russ in ihm verhindert wird.
Gemäss der Erfindung wird der gasbeheizte Strahlungserhitzer, der koaxial angeordnete Elemente, u. zw. einen aussenliegenden Wärmestrahlungskörper und ein Luftleitungsrohr, zwischen deren Wänden eine Brennkammer gebildet ist, ein Zentralrohr für einen gasförmigen Brennstoff, welches den gasförmigen Brennstoff in die Brennkammer leitet, wobei das Luftleitungsrohr an seinem Ende einen gelochten Boden besitzt, der vom Boden des Wärmestrahlungskörpers etwas absteht, Lochungen in den Seitenwänden für den Durchgang des Luftstroms durch sie, der vom äusseren Ende des Luftleitungsrohrs her in die Brennkammer gepresst wird, und einen sich am gelochten Abschnitt anschliessenden Rekuperator, der sich am Austritt der Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer befindet, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftleitungsrohr ein Kanal für die Luftleitung ausgeführt ist,
wobei die vom Aussenende her eingepresste Luft zuerst längs des Zentralrohrs für den gasförmigen Brennstoff bis zum Boden des erwähnten Luftleitungsrohrs und dann in umgekehrter Richtung längs der erwähnten gelochten Wände des Luftleitungsrohrs strömt.
Die erwähnte Vervollkommnung ermöglicht, das zentrale Gasrohr durch den Ausgangsstrom der zu erwärmenden Luft wirksamer zu kühlen.
Bei einer weiteren Ausführungsabwandlung zeichnet sich der erfindungsgemässe gasbeheizte Strahlungserhitzer ausserdem noch dadurch aus, dass im Innenraum des Luftleitungsrohrs zwischen seinen gelochten Wänden und dem Zentralrohr für den gasförmigen Brennstoff koaxial zu ihnen noch eine zwischen ihnen liegende, röhrenförmige Trennwand vorgesehen ist, deren ein Ende offen ist und etwas vom Boden des Luftleitungsrohr absteht, damit die Luft aus dem Hohlraum innerhalb der Trennwand zu den gelochten Wänden strömen kann, während das andere Ende zum Einpressen des Ausgangsluftstroms in den Hohlraum der röhrenförmigen Trennwand offen und an das Luftleitungsrohr dicht angeschlossen ist, um in diesem Abschnitt
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den Raum zwischen dieser Trennwand und den gelochten Wänden zu überdecken.
Eine solche technische Lösung ermöglicht es, mit einfachen konstruktiven Mitteln die durch unsere Erfindung vorgeschlagene Umlenkung des Ausgangsluftstroms um 1800 am Boden des Luftleitungsrohrs zu verwirklichen.
Es wird, um ein Einsaugen von Brenngas in die Luftleitung zu vermeiden, der Abstand vom unteren Ende der röhrenförmigen Trennwand bis zur ersten Reihe der Öffnungen im Luftleitungsrohr ausgehend aus folgender Ungleichung gewählt :
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wobei e - Abstand von der ersten Öffnungsreihe bis zum Ende der röhrenförmigen Trennwand,
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sind.
Eine solche konstruktive Abwandlung verhindert ein unerwünschtes Einsaugen von Verbrennungsproduktenaus der Brennkammer in den Hohlraum des Luftleitungsrohrs und folglich macht ein Überhitzen der röhrenförmigen Trennwand und des zentralen Gasrohrs unmöglich.
Das Zentralrohr für gasförmigen Brennstoff besitzt, um das Ausfallen von Russ in seinem Volumen zu verhindern und auch um sein Erhitzen zu vermindern, einen Durchmesser, der nicht grösser als 0,04 dH ist, wobei dH Aussendurchmesser des aussenliegenden Wärmestrahlungskörpers ist.
Schliesslich ist gemäss der Erfindung der Abstand zwischen dem aussenliegenden Wärmestrahlungskörper und dem Luftleitungsrohr höchstens gleich dem 7fachen Durchmesser der Öffnungen, die im gelochten Wandabschnitt des Luftleitungsrohrs ausgeführt sind.
Eine solche Abwandlung der Erfindung ermöglicht es, den Wärmeaustausch in der Brennkammer zu intensivieren und als Folge hievon die Temperatur in ihr zu senken sowie die Möglichkeit eines Überhitzens von innenliegenden Elementen zu vermindern.
Somit besitzt der erfindungsgemässe gasbeheizte Strahlungserhitzer eine erhöhte Betriebssicherheit, die durch effektives Kühlen des zentralen Brennstoffrohrs erzielt wird.
Weiterhin wird die Erfindung durch das Beschreiben von Ausführungsbeispielen derselben unter Hinweis auf die Zeichnung erläutert, auf der ein Schnitt durch die Konstruktion des gemäss der Erfindung ausgeführten, gasbeheizten Strahlungserhitzers abgebildet ist.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht der gasbeheizte Strahlungserhitzer aus koaxial liegenden Elementen, u. zw. aus einem aussenliegenden Strahlungskörper-l-, einem Luftleitungsrohr --2-- mit einem Rekuperator --3-- und einem gelochtem Abschnitt --4--, aus einer dazwischenliegenden röhrenförmigen Trennwand --5-- sowie einem Zentralrohr --6-- für gasförmigen Brennstoff. An der Stelle, wo das Luftlei- tungsrohr --2-- in den Rekuperator --3-- und den gelochten Abschnitt --4-- unterteilt ist, befindet sich ein Ring--7--, welcher einen Ringkanal--8-- zwischen der röhrenförmigen Trennwand--5-- und dem gelochten Abschnitt --4-- des Luftleitungsrohrs --2-- überdeckt.
Längs des gelochten Abschnitts --4-- des Luftleitungsrohrs --2-- sind auf bestimmte Weise Öffnungen --9-- für die Luft gebohrt. Der Unterteil des ge- lochten Abschnitts --4-- des Luftleitungsrohrs --2-- ist durch einen mit Öffnungen versehenen Boden --10-abgeschlossen. Im Raum zwischen dem aussenliegenden Wärmestrahlungskörper --1-- und dem Luftleitungsrohr --2-- ist eine Brennkammer --11-- gebildet,
Das gasbeheizte Strahlungsrohr arbeitet folgendermassen.
Die in den gasbeheizten Strahlungserhitzer eingepresste Luft strömt durch den Rekuperator --3-- des
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langt in einen Ringkanal, welcher durch das Zentralrohr --6-- für gasförmigen Brennstoff und die röhrenförmige Trennwand --5-- gebildet wird, Ein Teil der Luft strömt über die Öffnungen --9-- im Boden --10-- aus, während der Rest, nachdem er um 1800 umgelenkt ist, in den Ringkanal--8-- zwischen der röhrenförmigen Trennwand --5-- und dem gelochten Abschnitt --4-- des Luftleitungsrohrs --2-- gelangt, wo er sich auf die Öffnungen --9-- verteilt,
Der Verbrennungsproduktestrom, der sich von der geschlossenen Stirnseite des aussenliegenden Wärme- strahlungskörpers --1-- zum Austritt hin bewegt,
wird von zahlreichen Luftstrahlen durchdrungen, wodurch ein intensives Mischen und Brennen gewährleistet wird.
Das Zentralrohr --6-- für gasförmigen Brennstoff wird dadurch effektiv gekühlt, dass die gesamte Luft es umspült und erst hiernach beginnt, sich auf die Öffnungen --9-- des gelochten Abschnitts --4-- des Luft- leitungsrohrs-2-zu verteilen. Ausserdem vermindert die röhrenförmige Trennwand --5-- fast um die Hälfte den Strahlungsstrom des Luftleitungsrohrs-2--, der auf das Zentralrohr --6-- für gasförmigen Brennstoff einwirkt.
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Gemäss Versuchswerten (I. L. Powch, "Aerodynamischer Versuch im maschinenbau", Moskau-Leningrad, 1965) sind die Druckverluste beim Umlenken der Luft um 1800 (s. Zeichnung) gleich dem vierfachen dynamischen Druck, was einer Verengung des Strömungsquerschnitts auf die Hälfte entspricht. Diese Strömungsverengung entsteht Infolge einer Abreisszone in der Nähe der röhrenförmigen Trennwand --5-- direkt hinter der Umlenkung. Die Querschnittsfläche der Abreisszone ist gleich der Hälfte des Gesamtquerschnitts des Ringkanals --8-- :
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wobei fz - Querschnittsfläche der Abreisszone, f - Querschnittsfläche des Ringkanals --8-sind.
Wenn die Höhe der Abreisszone gleich hz angenommen wird, so ist
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wobei d1 - Innendurchmesser des dazwischenliegenden Luftrohrs, d2 - Aussendurchmesser der röhrenförmigen Trennwand sind.
Hieraus folgt
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Die Untersuchung von Abreisszonen (G. N. Abramowitsch,"Theorie turbulenter Strahlen", Physmath- verlag, 1960) hat gezeigt, dass das Längsmass () der Abreisszone ungefähr sechsmal grösser als das Quermass (hz) ist. Folglich wird
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vom Ende der röhrenförmigen Trennwand --5-- beobachtet. Folglich hat das Vorhandensein von Öffnungen - -9-- in dieser Zone des gelochten Abschnitts --4-- das Eindringen von brennbaren Bestandteilen in den Ringkanal--8-- zur Folge, deren Verbrennung ein Überhitzen (Durchbrennen) der röhrenförmigen Trennwand --5-- und des Zentralrohrs --6-- für gasförmigen Brennstoff hervorruft.
Bei der Berechnung der obenangeführten Formel der Abreisszonenlänge (#z) wird ein Mass von 46 mm erhalten, wobei die Zone mit negativem Druck (e) gleich der Hälfte der gesamten Abreisszone ist :
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Das Fehlen von Öffnungen in dieser Zone verhindert ein Einsaugen von brennbaren Bestandteilen in den Ringkanal,
Die Wahl des optimalen Durchmessers des Zentralrohrs --6-- für gasförmigen Brennstoff wird auf Grund folgender Überlegungen durchgeführt.
Die in das Strahlungsrohr strömende Gasmenge wird einerseits durch die Bedingungen des äusseren Wärmeaustausches
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785, e, d2. 3600 bestimmt,e - Länge des Strahlungserhitzers-Arbeitsteils in m, dH - Aussendurchmesser des aussenliegenden Wärmestrahlungskörpers in m, d - Innendurchmesser des Zentralrohrs für gasförmigen Brennstoff in m,
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T - Verweilzeit des Brennstoffs im Zentralrohr für gasförmigen Brennstoff in s, n - Wirkungsgrad des Strahlungserhitzers ("'0, 7) sind.
Orientierungsweise wird die minimale Wärmeleistung der Strahlungserhitzer gleich 8000 kcal angenommen.
Durch experimentelle Sonderuntersuchungen wurde festgestellt, dass für jede Temperatur der Wand des Zentralrohrs für gasförmigen Brennstoff eine bestimmte Minimalzeit besteht, während welcher der Brennstoff in ihm verweilt und die Reaktionen der thermischen Zerlegung des Brennstoffs ohne Ausscheiden von ungebundenem Kohlenstoff (in Form von Russ im Rohrraum) beendet werden. Folglich ist bei einer Wandtemperatur von 8500C die minimale zulässige Verweilzeit von Naturgas im zentralen Brennstoffrohr gleich 0, 5 s.
Hieraus folgt, dass der optimale Innendurchmesser des zentralen Brennstoffrohrs durch folgendes Verhältnis bestimmt wird :
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oder
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woraus wieder folgt :
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Auf diese Weise wird, um das Ausfallen von ungebundenem Kohlenstoff (Russ) im Zentralrohr für gasförmigen Brennstoff zu verhindern, dessen Innendurchmesser auf Grund der Ungleichung d < 0, 03 d gewählt.
Die Breite der Brennkammer, welche durch den aussenliegenden Wärmestrahlungskörper --1-- und den gelochten Abschnitt --4-- des Luftleitungsrohrs --2-- gebildet wird, hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wärmeaustausch. Experimentell wurde nachgewiesen, dass bei einer Breite der Brennkammer --11-- bis zu 7 Durchmessern der für den Luftdurchstrom bestimmten Öffnungen --9-- der gelochte Abschnitt --4-- nicht überhitzt wird. Beim Vergrössern der Breite der Brennkammer --11-- wird die Wärmeabgabe durch die Flammen geringer, die Temperatur in der Brennkammer steigt und als Folge hievon wird die Temperatur des Luftleitungsrohrs und hiedurch des Zentralrohrs --5-- für gasförmigen Brennstoff erhöht.
Unter Inbetrachtnahme der aufgezählten Bedingungen kann der gasbeheizte Strahlungserhitzter betriebssicher bei Wärmevorgängen mit einer Ofenraumtemperatur bis 9500C eingesetzt werden.
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