Gaserhitzer mit an den Wänden einer Verbrennungskammer angeordneten Heizflächen. Die Erfindung betrifft einen Gaserhitzer mit an den Wänden einer Verbrennungskam mer angeordneten Heizflächen.
Zweck der Erfindung ist, einen Gaserhit- i zer zu schaffen, in welchem sich dem zu er hitzenden Gas eine hohe Geschwindigkeit er teilen lässt, ohne dass als Folge davon grosse Druckverluste in Kauf zu nehmen sind. Hohe Gasgeschwindigkeiten sind bekanntlich erwünscht, weil dann die Gase imstande sind, viel Wärme aus den von ihnen durchström ten Rohren abzuführen, so dass in diesen Rohren keine gefährlichen Wärmespannun gen auftreten können und die Betriebssicher heit daher erhöht wird.
Um diese verschie denen Vorteile zu erreichen, ragen bei einem Gaserhitzer gemäss der Erfindung von min destens einem Verteiler und mindestens einem Sammler, welche Teile über der Verbren nungskammer angeordnet sind, Rohre in die Verbrennungskammer, und es ist ferner jedes der an den Verteiler angeschlossenen Rohre mit einem an den Sammler angeschlossenen Rohr durch eine Vielzahl Röhrchen, die der Strahlung des im Erhitzer erzeugten Feuers ausgesetzt sind, zu einem Erhitzerelement verbunden. Solche Verbindungsröhrchen las sen sich recht kurz bemessen, was den ange strebten Betrieb mit hohen Gasgeschwindig keiten bei kleinen Druckverlusten ermög licht.
Dünne Röhrchen bieten bekanntlich auch den Vorteil, dass bei sonst gleichen Ver hältnissen der Wärmeübergang besser als bei Rohren mit grossem Durchmesser ausfällt, was mit kleineren Heizflächen auszukommen ermöglicht. In. kurzen Röhrchen von kleinem Durchmesser treten ferner kleinere Wärme spannungen als in langen Rohren von grossem Durchmesser auf, da sich dünne, kurze Röhr chen gleichmässiger und rascher an allen Stel len auf gleiche Temperatur bringen lassen, was weiter zur Erhöhung der Betriebssicher heit beiträgt.
Die Röhrchen, welche die an den Vertei ler und den Sammler angeschlossenen Rohre verbinden, können bogenförmig ausgebildet und so angeordnet sein, dass sie die Elemen- tenrohreteilweise verdecken und letztere auf diese Weise vor der direkten Einwirkung der Feuerstrahlung weitgehend schützen. Ferner kann jedes Erhitzerelement zweckmässig mit tels Flanschen an den Verteiler und den Sammler angeschlossen sein, so dass sich diese Elemente einzeln ausbauen und dann zum Beispiel ersetzen lassen.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschau lichen in zum Teil vereinfachter Darstel lungsweise verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, und zwar zeigt: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2 durch einen Gaserhitzer, Fig. 2 in der linken Hälfte eine Drauf , sieht der Fig. 1 und in der rechten Hälfte einen waagrechten Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schaubildlich und in grösse rem Massstab ein Erhitzerelement, ferner den Verteiler und den Sammler, an die dieses Ele ment angeschlossen ist.
Fig. 4 zeigt in einem noch grösseren Mass stab als Fig. 3 und in Ansicht Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform, und Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4.
Fig. 6 zeigt eine noch weitere Ausfüh rungsform von Erhitzerelementen.
Fig. 7 ist ein Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 8 durch einen Erhitzer, bei dem die Rohre der Erhitzerelemente im Feuerraum nach unten konvergierend verlegt sind, so dass die Länge der Verbindungsröhr chen mit zunehmender Entfernung vom Ver teiler und Sammler abnimmt, und Fig. 8 zeigt in der linken Hälfte unter )Weglassung der Erhitzerelemente einen waag rechten Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7 durch die Verbrennungskammer und in der rechten Hälfte eine Draufsicht der Fig. 7.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 einen viereckigen Feuerraum eines für Kohlen staubfeuerung eingerichteten Gaserhitzers. Die gohlenstaubbrenner und die in Verbin dung damit vorzusehenden Einrichtungen sind der Einfachheit halber nicht veranschau licht. Der Feuerraum 1, aus welchem die Asche in fester Form (granuliert) abgezogen wird, ist von Wandungen ? aus feuerfestem Baustoff umschlossen. Über dem Feuerraum 1 ist ein Verteilerkasten 3 und ferner ein von diesem umgebener Sammlerkasten 4 angeord net. An den Verteilerkasten 3 sind hängend Rohre 5 und an den Sammlerkasten 4 hän gend Rohre 6 angeschlossen. Die Rohre und 6 ragen senkrecht in den Feuerraum 1 der Verbrennungskammer.
Jedes Rohr 5 ist mit einem Rohr 6 durch eine Vielzahl von Röhrchen 7 verbunden, welche der Strahlung des im Erhitzer erzeug ten Feuers ausgesetzt sind. Die Röhrchen 7 sind bogenförmig ausgebildet und verdecken die ihnen zugeordneten Rohre 5 und 6 teil weise, so dass sie diese Rohre 5, 6 vor der direkten Einwirkung der Feuerstrahlung weitgehend schützen. Ein Rohr 5 bildet zu sammen mit einem Rohr 6 und den sie ver bindenden Röhrchen 7 ein Erhitzerelement. Die verschiedenen Erhitzerelemente sind als Heizflächen nahe der Innenfläche der 'Wan dung ) angeordnet.
Um an der Austrittsstelle I a der Raucbgase aus dem Feuerraum 1 keine Verkleinerung des Durchtrittquerschnittes für die Rauchgase zu bekommen, sind dort die Elementenrohre 5, 6 durch keine Röhr chen verbunden.
In Fig. 3 ist ein einzelnes Erhitzerele- ment veranschaulicht. Es bezeichnen hier g und 9 die senkrechten Rohre des Elementes und 10 die diese verbindenden vielen Röhr chen; dabei ist das Rohr 8 an ein Verteilrohr 1.1 und das Rohr 9 an ein Sammlerrohr 13 <B>.</B> angeflanseht, so dass sich das Element<B>8, 9,</B> en 10 von den Rohren<B>11</B> und 12 leicht trennen und anschliessend einzeln ausbauen lässt. Die untern Enden der Rohre 8 und 9 sind durch ein bogenförmiges Rohr 13 verbunden, das durch keine Verbindungsröhrchen vor der Feuerstrahlung geschützt ist.
Eine Ausfüh rung letzterer Art kann dann in Frage kom men, wenn das Rohr 13 in Teile des Erhit- zers ragt, in denen die Feuerstrahlung das selbe nicht gefährden kann. Auf alle Fälle empfiehlt es sich aber, den Durchmesser sol cher nicht durch Verbindungsröhrchen vor der direkten Einwirkung der Feuerstrahlung geschützte Rohrteile kleiner als den Durch messer der durch sie verbundenen Rohre zu bemessen, um in jenen Rohrteilen hohe Ge schwindigkeiten für das zu erhitzende Ar beitsmittel zu erhalten.
Um eine möglichst gleichmässige Vertei lung des zu erhitzenden Arbeitsmittels auf die verschiedenen Verbindungsröhrchen zu gewährleisten, werden die an einen Verteiler und einen Sammler angeschlossenen Rohre der Erhitzerelemente zweckmässig so ausge bildet, dass der Durchmesser dieser Rohre mit zunehmender Entfernung vom Verteiler bezw. Sammler abnimmt. In Fig. 3 erfolgt diese Abnahme absatzweise; sie kann aber auch stetig erfolgen. Ferner ist der Durchmesser der Verbindungsröhrchen immer um ein Viel faches kleiner als derjenige der Rohre, welche durch solche Röhrchen verbinden werden. Zweckmässig werden auch alle Verbindungs röhrchen eines Erhitzerelementes gleich lang bemessen.
Indem die Durchmesser der an den Ver teiler und Sammler angeschlossenen Rohre der Erhitzerelemente entsprechend festgelegt werden, lässt sich ferner erreichen, dass die Temperaturen in diesen Rohren überall min destens angenähert gleich hoch sind. Da der Teil des zu erhitzenden Arbeitsmittels, wel cher das an den Sammler angeschlossene Rohr durchströmt, bereits stärker erhitzt ist als der Arbeitsmittelteil, welcher durch das an den Verteiler angeschlossene Rohr strömt, so wird der Durchmesser des erstgenannten Rohres zweckmässig kleiner gewählt als der des zweitgenannten, um in jenem grössere Strömungsgeschwindigkeiten zu bekommen.
In den Fig. 4 und 5 bezeichnen 14 und 15 senkrecht in einen nicht gezeichneten Feuerraum ragende Rohre von Erhitzerele- menten. Der Durchmesser dieser Rohre 14, 1.5 nimmt von oben nach unten stark ab, und die untern Enden der zugeordneten Rohre 14, 15 jedes Elementes sind durch ein Bogen rohr 16 verbunden. 17 bezeichnet in diesen Figuren die vielen Röhrchen, welche die zwei senkrechten Rohre 14, 15 eines Erhitzerele- mentes verbinden.
Die Verbindungsröhrchen 17 sind als Schlangenrohre mit drei Umlenk- bogen ausgebildet, so dass sie vier Schenkel 171, 172, 173 und 17' aufweisen; ferner sind diese Röhrchen 17 versetzt in die Rohre 14 und 15 eingeführt, das heisst die beiden An schlussstellen eines Röhrchens liegen in ver schiedenen Ebenen. Auch in diesem Falle weisen alle Röhrchen 17 annähernd gleiche Länge auf. Der vom kälteren Arbeitsmittel teil durchflossene Schenkel 172 ist der direk ten Strahlung des Feuers ausgesetzt, wäh rend die Schenkel 173, 174, welche von bereits erhitztem Arbeitsmittelteil durchströmt wer den, vom Schenkel 172 vor direkter Strahlung geschützt werden.
Die schlangenförmigen Verbindungsröhrchen 17 stützen sich gegen seitig ab; die Abstützung erfolgt zweck mässig an Stellen, an denen die Verbindungs röhrchen von verhältnismässig kaltem Ar beitsmittel durchströmt werden und dort in folge der dadurch bedingten niedrigen Rohr wandtemperaturen die grösste Festigkeit auf weisen.
In Fig. 6 ist eine Bauart gezeigt, bei der jeweils das nur zwei Umlenkbogen und drei Schenkel aufweisende Röhrchen 18 eines Ele mentes sich auf einem Röhrchen 18 eines be nachbarten Elementes abstützt.
In Fig. 7 und 8 ist schliesslich die An wendung der Erfindung.an einem Lufterhit zer 21 mit runder Verbrennungskammer 20 veranschaulicht. Im untern Teil, das heisst im eigentlichen Schmelzraum, ist die Begren zungswand der Kammer 20 durch ein vor gebautes, hochhitzebeständiges Mauerwerk 22 vor der Feuerstrahlung geschützt. In diesen Fig. 7 und 8 sind ferner mit 23 Verteiler und mit 24 Sammler bezeichnet. An die Verteiler 23 sind in den Feuerraum 20 ragende Rohre _ 25 und an die Sammler 24 Rohre 26 ange schlossen. Die betreffenden Anschlüsse sind um so länger, je weiter weg sie sich von der Quermittelebene des Verteilers 23 bezw. Sammlers 24 befinden.
Je ein Rohr 25 und 26 bilden zusammen mit einer Vielzahl von sie verbindenden Röhrchen 27 wiederum ein Er hitzerelement; diese Elemente sind nahe der Innenfläche des Lufterhitzers 21 angeordnet. Die Rohre 25, 26 jedes Elementes ragen nur bis nahe an das Mauerwerk 22 heran, und unten sind sie durch ein Bogenrohr 28 ver bunden. Die Rohre 25, 26 jedes Erhitzerele- mentes sind hier konvergierend verlegt, so dass die Länge der Verbindungsröhrchen 27 mit zunehmender Entfernung von den Ver teilern 23 und Sammlern 24 abnimmt.
Auf diese )Veise lässt sich erreichen, dass an den Stellen starker Wärmeeinstrahlung in den Verbindungsröhrchen 27 das zu erhitzende Arbeitsmittel grosse Geschwindigkeit auf weist, so da.ss eine genügende ZVärmewegfuhr gewährleistet ist. Die Bogenrohre 28 sind in Ausnehmungen 29 des Mauerwerkes 22 ver legt, und da dieses verhältnismässig wenig 'Wärme durchlässt, so brauchen die Bogen rohre 28 mit keinen sie vor der Strahlung des Feuers schützenden Verbindungsröhrchen ausgestattet zu werden.
Erforderlichenfalls könnten aber auch die zwei Bogen der Rohre 28 durch Röhrchen verbunden sein, wobei allerdings die Teilung zwischen diesen Röhr chen grösser sein kann als zwischen den Röhr chen 27.
Indem die Teilung zwischen den Verbin dungsröhrchen eines Elementes an den Stel len hoher -Wärmestrahlung enger gewählt wird als an den Stellen kleiner Wärmebela stung, lässt sich der Grad beeinflussen, um den die ZVandungen des Feuerraumes durch die Erhitzerelemente gekühlt werden.
Dabei empfiehlt es sich, wie bei der Ausführung nach Fig. 7 und 8 gezeigt, die Verbindungs röhrchen an Stellen hoher Wärmestrahlung, das heisst also vorwiegend im untern Teil der Verbrennungskammer, kürzer zu bemessen als an Stellen niederer Strahlung, das heisst als im obern Teil der Verbrennungskammer, um an den erstgenannten Stellen grössere Ar beitsmittelgeschwindigkeiten zu erhalten.
Zweckmässig können die Verbindungsröhr chen dort, wo sie in das an den Sammler an geschlossene Rohr münden, erweitert sein, damit die dadurch bewirkte Diffusorwirlkunä den Druckverlust, der in diesem Rohr ein tritt, vermindert.
Gas heater with heating surfaces arranged on the walls of a combustion chamber. The invention relates to a gas heater with heating surfaces arranged on the walls of a combustion chamber.
The purpose of the invention is to create a gas heater in which the gas to be heated can be shared at a high speed without having to accept large pressure losses as a result. As is well known, high gas velocities are desirable because the gases are then able to dissipate a lot of heat from the pipes through which they flow, so that no dangerous heat stresses can occur in these pipes and operational reliability is therefore increased.
In order to achieve these various advantages, in a gas heater according to the invention of at least one manifold and at least one collector, which parts are arranged above the combustion chamber, pipes into the combustion chamber, and it is also each of the pipes connected to the manifold with a pipe connected to the collector through a plurality of small tubes which are exposed to the radiation of the fire generated in the heater, to form a heater element. Such connecting tubes can be made very short, which enables the desired operation with high gas speeds with small pressure losses.
As is known, thin tubes also offer the advantage that, with otherwise identical conditions, the heat transfer is better than with tubes with a large diameter, which makes it possible to manage with smaller heating surfaces. In. short tubes of small diameter also occur smaller thermal stresses than in long tubes of large diameter, since thin, short tubes can be brought to the same temperature more evenly and more quickly at all points, which further contributes to increasing operational reliability.
The tubes, which connect the tubes connected to the distributor and the collector, can be arch-shaped and arranged in such a way that they partially cover the element tubes and in this way largely protect the latter from the direct effect of fire radiation. Furthermore, each heater element can be conveniently connected to the distributor and collector by means of flanges so that these elements can be removed individually and then replaced, for example.
The accompanying drawings illustrate in a partially simplified presen- tation way different embodiments of the subject invention, namely: Fig. 1 shows a vertical section along the line II of Fig. 2 through a gas heater, Fig. 2 in the left half of a plan, the 1 and in the right half a horizontal section along the line II-II in FIG. 1.
Fig. 3 shows diagrammatically and on a larger scale rem scale, a heater element, also the distributor and collector to which this ele ment is connected.
Fig. 4 shows on an even larger scale than Fig. 3 and in view of details of a further embodiment, and Fig. 5 is a section along the line V-V of FIG.
Fig. 6 shows yet another embodiment of heater elements.
Fig. 7 is a section along the line VII-VII of Fig. 8 through a heater in which the tubes of the heater elements in the furnace are laid converging downward so that the length of the connecting tubes decreases with increasing distance from the United divider and collector and FIG. 8 shows, in the left half with the omission of the heater elements, a horizontal right-hand section along the line VIII-VIII in FIG. 7 through the combustion chamber, and in the right half a plan view of FIG.
In Figs. 1 and 2, 1 denotes a square furnace of a gas heater set up for coal dust firing. The coal dust burners and the facilities to be provided in connection therewith are not illustrated for the sake of simplicity. The combustion chamber 1, from which the ash is withdrawn in solid form (granulated), has walls? Enclosed from fireproof building material. Above the furnace 1 is a junction box 3 and also a collector box 4 surrounded by this net angeord. On the junction box 3 hanging pipes 5 and 4 hanging pipes 6 are connected to the collector box. The pipes 6 and 6 protrude vertically into the combustion chamber 1 of the combustion chamber.
Each tube 5 is connected to a tube 6 by a plurality of tubes 7 which are exposed to the radiation of the fire generated in the heater. The tubes 7 are arcuate and partially cover the tubes 5 and 6 assigned to them, so that they largely protect these tubes 5, 6 from the direct action of fire radiation. A tube 5 forms together with a tube 6 and the tube 7 connecting them ver a heater element. The various heating elements are arranged as heating surfaces near the inner surface of the wall.
In order to get no reduction of the passage cross-section for the flue gases at the exit point I a of the smoke gases from the furnace 1, the element tubes 5, 6 are connected there by no tubes.
A single heater element is illustrated in FIG. 3. Here g and 9 denote the vertical tubes of the element and 10 the connecting many tubes; The pipe 8 is flanged to a distribution pipe 1.1 and the pipe 9 to a collector pipe 13, so that the element 8, 9, and 10 are flanged from the pipes > 11 </B> and 12 can be easily separated and then removed individually. The lower ends of the tubes 8 and 9 are connected by an arched tube 13 which is not protected from the fire radiation by any connecting tubes.
An execution of the latter type can come into question when the tube 13 protrudes into parts of the heater in which the fire radiation cannot endanger the same. In any case, it is advisable to measure the diameter of those pipe parts not protected from direct exposure to fire radiation by connecting pipes to be smaller than the diameter of the pipes connected by them, in order to achieve high speeds for the working medium to be heated in those pipe parts receive.
In order to ensure the most even distribution of the working fluid to be heated on the various connecting tubes, the heater elements connected to a distributor and collector are expediently formed in such a way that the diameter of these tubes with increasing distance from the distributor or. Collector decreases. In Fig. 3 this decrease takes place intermittently; but it can also take place continuously. Furthermore, the diameter of the connecting tubes is always many times smaller than that of the tubes which are connected by such tubes. It is also useful that all connecting tubes of a heater element are of the same length.
In that the diameters of the heater element tubes connected to the distributor and collector are set accordingly, it can also be achieved that the temperatures in these tubes are at least approximately the same everywhere. Since the part of the working medium to be heated, which flows through the pipe connected to the collector, is already more heated than the working medium part which flows through the pipe connected to the distributor, the diameter of the first-mentioned pipe is suitably chosen smaller than that of the second-mentioned in order to get greater flow velocities in that.
In FIGS. 4 and 5, 14 and 15 designate tubes of heating elements projecting vertically into a combustion chamber (not shown). The diameter of these tubes 14, 1.5 decreases sharply from top to bottom, and the lower ends of the associated tubes 14, 15 of each element are connected by an arched tube 16. In these figures, 17 denotes the many small tubes which connect the two vertical tubes 14, 15 of a heating element.
The connecting tubes 17 are designed as serpentine tubes with three deflection bends, so that they have four legs 171, 172, 173 and 17 '; Furthermore, these tubes 17 are inserted offset into the tubes 14 and 15, that is, the two connection points of a tube are in different levels ver. In this case, too, all of the small tubes 17 have approximately the same length. The leg 172 through which the colder working fluid flows in part is exposed to the direct radiation of the fire, while the legs 173, 174, through which the working fluid part that is already heated, are protected by leg 172 from direct radiation.
The serpentine connecting tubes 17 are supported on each other; the support is expediently at points where the connecting tubes are traversed by relatively cold working fluid and there, as a result of the resulting low pipe wall temperatures, have the greatest strength.
In Fig. 6 a design is shown in which each of the only two deflecting bends and three legs having tube 18 of a Ele mentes is supported on a tube 18 of an adjacent element be.
7 and 8 the application of the invention is finally illustrated on an air heater 21 with a round combustion chamber 20. In the lower part, that is to say in the actual melting chamber, the limita- tion wall of the chamber 20 is protected from the radiation of fire by a pre-built, highly heat-resistant masonry 22. In these FIGS. 7 and 8, 23 distributors and 24 collectors are also designated. On the manifold 23 in the furnace 20 protruding pipes 25 and on the collector 24 pipes 26 are connected. The connections in question are longer, the further away they are from the transverse center plane of the distributor 23 BEZW. Collector 24 are located.
Each tube 25 and 26 together with a plurality of tubes 27 connecting them in turn form a heater element; these elements are arranged near the inner surface of the air heater 21. The tubes 25, 26 of each element protrude only up to close to the masonry 22, and below they are ver by an arc tube 28 connected. The tubes 25, 26 of each heating element are laid converging here, so that the length of the connecting tubes 27 decreases with increasing distance from the distributors 23 and collectors 24.
In this way it can be achieved that the working medium to be heated has high speed at the points of strong heat radiation in the connecting tubes 27, so that sufficient heat removal is guaranteed. The arc tubes 28 are ver laid in recesses 29 of the masonry 22, and since this relatively little 'lets through heat, the arc tubes 28 do not need to be equipped with any connecting tubes protecting them from the radiation of the fire.
If necessary, however, the two bends of the tubes 28 could also be connected by tubes, although the pitch between these tubes can be greater than that between the tubes 27.
Because the division between the connecting tubes of an element is narrower at the points of high thermal radiation than at the points of low thermal load, the degree to which the walls of the furnace are cooled by the heater elements can be influenced.
It is advisable, as shown in the embodiment according to FIGS. 7 and 8, to make the connecting tubes shorter in places with high thermal radiation, i.e. mainly in the lower part of the combustion chamber than in places with lower radiation, i.e. than in the upper part the combustion chamber in order to obtain higher working medium speeds at the first-mentioned points.
The connecting tubes can expediently be widened where they open into the tube that is closed to the collector, so that the diffusor vortex caused thereby reduces the pressure loss that occurs in this tube.