Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Erhitzen eines grossen Stroms von Prozessgas mit geringem Druckabfall sowie eine Verwendung der Heizeinrichtung.
Die Erhitzung von grossen Luftströmen bei geringem
Druckabfall hat sich als sehr schwierig erwiesen, und zwar im
Hinblick auf die Investitionskosten, den thermischen Wirkungs grad und dergleichen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Heizein richtung der eingangs genannten Art, die die Nachteile bekann ter Ausführungen nicht aufweist.
Demgemäss sind Gegenstand der Erfindung: a) eine Heizeinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie folgende Bestandteile aufweist: - einen zylindrischen Mantel, - eine gleichachsig im Mantel befestigte, zylindrische Hülse, um einen inneren Strömungsraum und einen äusseren
Strömungsraum zu bilden, - mindestens einen ausserhalb des Mantels angeordneten
Balg, der die Hülse expandierbar mit einem Ende des Man tels verbindet, - eine Prozessgaszufuhrvorrichtung, um das Prozessgas durch den äusseren Strömungsraum zu leiten, - einen Heizgaseinlass, um ein Heizgas in den inneren Strö mungsraum zu leiten, wobei die Hülse ein Eintritts ende und ein Austrittsende für den Eintritt bzw.
Austritt des Heiz gases hat, - äussere Oberflächenfortsätze, die von der Hülse in den äusseren Strömungsraum vorstehen, - einen im Innern der Hülse in der Nähe ihres Austrittsendes befestigten zylindrischen, einseitig geschlossenen Ablenk körper, der so ausgebildet ist, dass er das Heizgas in einen aussen durch die Hülse und innen durch den Ablenkkörper begrenzten ringförmigen Konvektionsdurchlass lenkt, und - innere Oberflächenfortsätze, die von der Hülse in den Kon vektionsdurchlass vorstehen; sowie b) eine Verwendung der vorerwähnten Heizeinrichtung zum Erhitzen der Verbrennungsluft für eine Verbrennungs einrichtung.
Vorzugsweise ist eine Vorrichtung vorhanden, um einen den atmosphärischen Druck übersteigenden Druck im inneren
Strömungsraum zu erzeugen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Heizeinrichtung,
Fig. 2 in grösserem Massstab einen Längsschnitt durch eine zweite Heizeinrichtung ausschnittsweise,
Fig. 3 eine Seitenansicht der Hülse einer dritten Heizein richtung,
Fig. 4 in grösserem Massstab einen Ausschnitt aus der
Heizeinrichtung der Fig. 2 und
Fig. 5 in ähnlicher Darstellungsweise die dritte Heizein richtung der Fig. 3.
Wie die Fig. 1 zeigt, weist die Heizeinrichtung 11 einen senkrechtstehenden, zylindrischen Mantel 12 auf, welcher durch ein geeignetes Gestell abgestützt ist. Innerhalb des
Mantels 12 ist eine Hülse 13 befestigt, um einen zylindrischen inneren Strömungsraum 14 von einem ringförmigen, äusseren
Strömungsraum 15 zu trennen. Die Hülse 13 hat ein Eingangs ende 16 an ihrem Boden und ein Austrittsende 17 an ihrem
Oberteil. Das Eintrittsende 16 ist mit einem Abschnitt 18 ab dichtend verbunden, der seinerseits abdichtend mit einem
Heizgaseinlass 19 verbunden ist, durch welchen ein Heizgas
21 in den inneren Strömungsraum 14 eingeführt wird.
Das Austrittsende 17 der Hülse 13 ist abdichtend mit einer Kappe 22 verbunden, welche ihrerseits abdichtend mit einem Kamin 23 verbunden ist, durch den das Heizgas aus dem inneren Strömungsraum 14 austritt. Zwischen dem Oberteil 27 des Mantels 12 und dem Kamin 23 ist ein Balg 26 angeordnet. Unterschiede in den thermischen Ausdehnungen zwischen der Hülse 13 und dem Mantel 12 können auch noch durch einen zweiten Balg 24 zwischen der Heizgaszufuhrvorrichtung 19 und einem Bodenteil 25 des Mantels 12 aufgefangen werden. Wahlweise kann aber die Hülse 13 auch auf irgendeine andere Weise abgestützt werden, und zwar längs ihrer Länge, wobei der Expansion teilweise in jeder Richtung Rechnung getragen werden kann.
Der Prozessstrom 28 tritt über einen Einlass 29 in einen oberen Raum 31 ein, welcher zwischen dem Oberteil 27 des Mantels 12 und der Kappe 22 eingeschlossen ist. Dann strömt er abwärts durch den äusseren Strömungsraum 15 in einen unteren Hohlraum 32, welcher vom Bodenteil 25 des Mantels 12 und vom Abschnitt 18 begrenzt ist. Schliesslich tritt dann der Luftstrom über einen Auslass 33 aus. Die Strömung verläuft also abwärts, wobei ein Wärmeaustausch im Gegenstrom beim Aufwärtsströmen des Heizgases 21 erzeugt wird. Es ist aber oft wünschenswert, dass der Prozessstrom 28 im Gleichstrom mit dem Heizgas 21 strömt. Dieser Gleichstrom kann auch mittels derselben Heizeinrichtung erzielt werden, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Der Mantel 12 ist innen oder aussen mit einem nicht dargestellten wärmeisolierenden, hitzebeständigen Werkstoff bedeckt, um die Wärmeverluste zu reduzieren. Wenn dieser Werkstoff den Mantel 12 aussen bedeckt, so erhitzt sich der Mantel 12 auf höhere Temperaturen, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen dem Mantel 12 und der Hülse 13 verringert wird.
Das Heizgas 21 kann auch mit niedriger Temperatur zugeführt und erst z. B. in einer Strahlungszone 35 des inneren Strömungsraums 14 erhitzt werden, z. B. durch Verbrennung eines Brennstoffs mittels mindestens eines Brenners 36. In Fig. 1 durchdringt nur ein Brenner 36 die Bodenwand 25 des Mantels 12. Es können aber auch andere Quellen zum Erhitzen des Heizgases 21 benutzt werden. Es ist in jedem Fall wichtig, dass dem heissen Heizgas Wärme sowohl mittels Konvektion als auch mittels Strahlung entzogen wird. Zu diesem Zweck ist ein Ablenkkörper 37 im Innern der Hülse 13 befestigt, um das Heizgas 21 in einen Konvektionsdurchlass 38 zu drängen. Letzterer ist aussen durch die Hülse 13 begrenzt und verbindet die Strahlungszone 35 strömungsmässig mit dem Innenraum 39 des Kamins 23.
Eine Vergrösserung der wirksamen Oberfläche der Heizeinrichtung kann durch in Längsrichtung verlaufende Leitbleche 41 erreicht werden (Fig. 1), durch schraubenlinienförmig verlaufende Leitbleche 42 (Fig. 2 und 4), Warzen 43 (Fig. 3 und 5) oder ähnliche Vorrichtungen. Die langgestreckten Leitbleche 41 der Fig. 1 erstrecken sich von der Oberfläche der Hülse 13 nach aussen in den äusseren Strömungsraum 15. Auf diese Weise wird erzielt, dass eine grosse metallische Oberfläche in Wärmeaustausch mit dem Prozessgasstrom 28 steht, so dass Wärme abgeleitet wird ohne die Notwendigkeit, den Prozessgasstrom durch Rohre zu leiten, die bekanntlich den Nachteil eines grossen Druckabfalls haben.
Langgestreckt angeordnete Leitbleche 41' erstrecken sich auch von der Hülse 13 nach innen in den Konvektionsdurchlass 38, um mittels der Konvektion die Wärmeabgabe von dem heissen, dort hindurchströmenden Heizgas 21 zu verbessern. Der Wärmeübergang zur Hülse 13 in der Nähe der Strahlungszone 35 erfolgt vorwiegend durch Strahlung.
Falls im äusseren Strömungsraum 15 Überdruck herrscht, kann der innere Strömungsraum 14 bei erhöhtem Druck betrieben werden, um eine Druckdifferenz zwischen dem inneren Strömungsraum 14 und dem äusseren Strömungsraum 15 zu vermeiden. Auf diese Weise werden die Anforderungen an die Wanddicke der Hülse 13 verringert.
Die Heizeinrichtung hat den Vorteil, dass sie den ther mischen Wirkungsgrad verbessert, unter Anwendung billiger Werkstoffe hergestellt werden und im Gleichstrom oder im Gegenstrom arbeiten kann.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Einrichtungen besteht darin, dass sie entweder mit handelsüblichen Brennern 36 betrieben oder äusseren Wärmequellen zur Erzeugung des Heizgases 21 angepasst werden können.
Ferner ist es von Vorteil, dass die Heizeinrichtung unter Berücksichtigung der Unterschiede der thermischen Aus- dehnungskoeffizienten ihrer Teile betriebssicher erstellt werden können.
Wenn der Prozessgasstrom Verbrennungsluft ist, kann das Heizgas in wirtschaftlicher Weise das Abgas des betreffenden Verbrennungsprozesses sein. Auf diese Weise lassen sich die Anforderungen an den Brennstoff zum Zwecke der Erzielung einer bestimmten Verbrennungstemperatur in ganz beträchtlicher Weise vereinfachen. Ein Vorteil des zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiels ist es, dass der Raum für das heisse Gas sich auf erhöhtem Druck befindet, so dass die baulichen und werkstofflichen Anforderungen an die Hülse 13 beträchtlich verringert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Heizeinrichtung einfach zu entwerfen, zu bauen und instandzuhalten ist.
The invention relates to a heating device for heating a large flow of process gas with a low pressure drop and a use of the heating device.
The heating of large air currents with little
Pressure drop has proven very difficult to do in the
With regard to the investment costs, the thermal efficiency and the like.
The object of the invention is to create a Heizein direction of the type mentioned, which does not have the disadvantages of best versions.
Accordingly, the subject matter of the invention is: a) a heating device, which is characterized in that it has the following components: - a cylindrical jacket, - a cylindrical sleeve fastened coaxially in the jacket, around an inner flow space and an outer one
To form flow space - at least one arranged outside of the shell
Bellows, which connects the sleeve expandably with one end of the jacket, - a process gas supply device to guide the process gas through the outer flow space, - a heating gas inlet to guide a heating gas into the inner flow space, the sleeve having an inlet end and an exit end for entry or
Outlet of the heating gas has, - outer surface extensions that protrude from the sleeve into the outer flow space, - a cylindrical, unilaterally closed deflector body fixed inside the sleeve near its outlet end, which is designed so that it flows into a on the outside by the sleeve and on the inside by the deflecting body, the annular convection passage directs, and inner surface extensions protruding from the sleeve into the convection passage; and b) a use of the aforementioned heating device for heating the combustion air for a combustion device.
Preferably, a device is provided for a pressure exceeding atmospheric pressure inside
Generate flow space.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. They show schematically:
1 shows a longitudinal section through a heating device,
2 shows, on a larger scale, a longitudinal section through a second heating device,
Fig. 3 is a side view of the sleeve of a third Heizein direction,
4 shows, on a larger scale, a detail from the
Heating device of FIGS. 2 and
FIG. 5 shows the third Heizein direction in FIG. 3 in a similar manner.
As FIG. 1 shows, the heating device 11 has a vertical, cylindrical jacket 12 which is supported by a suitable frame. Within the
Jacket 12, a sleeve 13 is attached to a cylindrical inner flow space 14 from an annular, outer
To separate flow space 15. The sleeve 13 has an input end 16 at its bottom and an exit end 17 at its
Top. The inlet end 16 is sealingly connected to a section 18, which in turn sealingly with a
Heating gas inlet 19 is connected, through which a heating gas
21 is introduced into the inner flow space 14.
The outlet end 17 of the sleeve 13 is sealingly connected to a cap 22, which in turn is sealingly connected to a chimney 23 through which the heating gas emerges from the inner flow space 14. A bellows 26 is arranged between the upper part 27 of the jacket 12 and the chimney 23. Differences in the thermal expansions between the sleeve 13 and the jacket 12 can also be absorbed by a second bellows 24 between the heating gas supply device 19 and a bottom part 25 of the jacket 12. Alternatively, however, the sleeve 13 can also be supported in some other way, namely along its length, wherein the expansion can be partially taken into account in every direction.
The process stream 28 enters via an inlet 29 into an upper space 31 which is enclosed between the upper part 27 of the jacket 12 and the cap 22. It then flows downwards through the outer flow space 15 into a lower cavity 32 which is delimited by the bottom part 25 of the casing 12 and by the section 18. Finally, the air flow then exits via an outlet 33. The flow thus runs downwards, with a countercurrent heat exchange being generated when the heating gas 21 flows upwards. However, it is often desirable for the process stream 28 to flow concurrently with the heating gas 21. This direct current can also be achieved by means of the same heating device as is known to the person skilled in the art.
The jacket 12 is covered inside or outside with a heat-insulating, heat-resistant material, not shown, in order to reduce heat losses. If this material covers the outside of the jacket 12, the jacket 12 is heated to higher temperatures, as a result of which the temperature difference between the jacket 12 and the sleeve 13 is reduced.
The heating gas 21 can also be supplied at a low temperature and only z. B. be heated in a radiation zone 35 of the inner flow space 14, for. B. by burning a fuel by means of at least one burner 36. In FIG. 1, only one burner 36 penetrates the bottom wall 25 of the jacket 12. However, other sources for heating the heating gas 21 can also be used. In any case, it is important that heat is extracted from the hot heating gas by means of both convection and radiation. For this purpose, a deflector 37 is fixed inside the sleeve 13 in order to force the heating gas 21 into a convection passage 38. The latter is delimited on the outside by the sleeve 13 and connects the radiation zone 35 in terms of flow to the interior 39 of the chimney 23.
An increase in the effective surface of the heating device can be achieved by longitudinally extending guide plates 41 (FIG. 1), by helically extending guide plates 42 (FIGS. 2 and 4), warts 43 (FIGS. 3 and 5) or similar devices. The elongated baffles 41 of FIG. 1 extend outward from the surface of the sleeve 13 into the outer flow space 15. In this way, it is achieved that a large metallic surface is in heat exchange with the process gas flow 28 so that heat is dissipated without the Necessity to pass the process gas flow through pipes, which are known to have the disadvantage of a large pressure drop.
Elongated baffles 41 ′ also extend from the sleeve 13 inward into the convection passage 38 in order to improve the heat dissipation from the hot heating gas 21 flowing through there by means of convection. The heat transfer to the sleeve 13 in the vicinity of the radiation zone 35 takes place primarily through radiation.
If there is overpressure in the outer flow space 15, the inner flow space 14 can be operated at increased pressure in order to avoid a pressure difference between the inner flow space 14 and the outer flow space 15. In this way, the requirements for the wall thickness of the sleeve 13 are reduced.
The heating device has the advantage that it improves the thermal efficiency, can be manufactured using cheap materials and can work in cocurrent or countercurrent.
Another advantage of the devices described is that they can either be operated with commercially available burners 36 or adapted to external heat sources for generating the heating gas 21.
Furthermore, it is advantageous that the heating device can be created in an operationally reliable manner taking into account the differences in the thermal expansion coefficients of its parts.
If the process gas flow is combustion air, the heating gas can be the exhaust gas of the relevant combustion process in an economical manner. In this way, the requirements on the fuel for the purpose of achieving a certain combustion temperature can be simplified in a very considerable way. One advantage of the last-described embodiment is that the space for the hot gas is at increased pressure, so that the structural and material requirements for the sleeve 13 can be reduced considerably. Another advantage is that the heater is easy to design, build and maintain.