DE1030498B - Brennkammer zur Luft- oder Gaserhitzung - Google Patents

Brennkammer zur Luft- oder Gaserhitzung

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DE1030498B
DE1030498B DEST10620A DEST010620A DE1030498B DE 1030498 B DE1030498 B DE 1030498B DE ST10620 A DEST10620 A DE ST10620A DE ST010620 A DEST010620 A DE ST010620A DE 1030498 B DE1030498 B DE 1030498B
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combustion chamber
tubes
basket
heated
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DEST10620A
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English (en)
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Dipl-Ing Ernst R Becker
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STRICO GES fur METALLURG
Waermetechnik M B H
Original Assignee
STRICO GES fur METALLURG
Waermetechnik M B H
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00Air heaters
    • F24H3/02Air heaters with forced circulation
    • F24H3/06Air heaters with forced circulation the air being kept separate from the heating medium, e.g. using forced circulation of air over radiators
    • F24H3/08Air heaters with forced circulation the air being kept separate from the heating medium, e.g. using forced circulation of air over radiators by tubes
    • F24H3/087Air heaters with forced circulation the air being kept separate from the heating medium, e.g. using forced circulation of air over radiators by tubes using fluid fuel

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Brennkammer zur Luft- oder Gaserhitzung Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, in der unter Verbrennung von Gas, Öl oder Kohlenstaub durch Ausnutzung vorzugsweise der Strahlungswärme Luft oder Gas erhitzt werden soll.
  • Es ist an sich bekannt, daß es möglich ist, in derartigen Brennkammern bei hoher Temperatur der Flamme unter Ausnutzung der Strahlungswärme hohe Temperaturen des aufzuwärmenden gasförmigen Mittels zu erreichen.
  • Es ist an sich auch bekannt, daß die Geschwindigkeit des aufzuwärmenden Mittels in den Wärmeaustauscherelementen bei derartigen Strahlungswärmeaustauschern so hoch sein muß, daß eine so genügend hohe Wärmeabfuhr stattfindet, wie erforderlich ist, um die Temperaturdifferenz zwischen dem aufzuwärmenden Mittel und den Wandungen der Wärmeaustauscherelemente so gering wie möglich zu halten.
  • Brennkammern zur Luft- oder Gaserhitzung mittels der Strablungswärme einer heißen Flamme mit eingebauten senkrechten oder annähernd senkrechten Rohren am inneren Umfang der Brennkammer, durch die das aufzuwärmende Mittel geleitet wird, wobei die wärmeaustauschenden Rohre in Form korbartiger Gebilde angeordnet sind, und die zwei konzentrisch ineinanderliegende Rohrkörbe enthalten, sind ebenfalls an sich bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung dieser bekannten Einrichtungen und besteht in erster Linie darin, daß unter Beibehaltung der zwei konzentrisch ineinanderliegenden Rohrkörbe, deren Rohre von dem aufzuwärmenden Mittel durchströmt werden, die Rohre des äußeren Rohrkorbes mit Flächen ausgerüstet werden, die ein Durchdringen der Wärmestrahlung auf die Umgrenzungswand der Brennkammer weitgehend verhüten. Hierzu werden die Rohre des äußeren Rohrkorbes an ihrem Außenmantel mit an sich bekannten Zusatzheizflächen, vorzugsweise sogenannten Flossen, ausgerüstet.
  • Durch diese Anordnung, bei der die Rohre des inneren Rohrkorbes einen solchen Abstand haben, daß zwischen denselben die Wärmestrahlung noch durchtreten kann, wird erreicht, daß diese durch die Zwischenräume des inneren Rohrkorbes durchtretenden Wärmestrahlen durch den äußeren Rohrkorb möglichst restlos aufgefangen werden. Die Umgrenzungswände der Brennkammern können demgemäß niemals eine höhere Temperatur annehmen als die Rohre des äußeren Rohrkorbes. Man kann sie daher aus einem Material herstellen, welches nicht besonders hochhitzebeständig zu sein braucht, d. h. entweder aus einem entsprechenden Mauerwerk oder sogar aus Blech mit einer geeigneten äußeren Wärmeisolierung.
  • Derartige Brennkammer-Wärmeaustauscher unterliegen bisher immer der Gefahr, daß beim Abstellen sowohl des aufzuwärmenden Mittels als auch des aufwärmenden Mittels vom hocherhitzten Mauerwerk aus die Wärmeaustauscherelemente so stark angestrahlt werden, daß das Material durch die hohen Temperaturen in derartigen Stillstandzeiten überbeansprucht wird. Diese Gefahr wird vor allen Dingen durch die Erfindung beseitigt.
  • Im weiteren Ausbau der Erfindung sollen die beiden Rohrkörbe aus an sich bekannten, haarnadelförmig gebogenen Rohren hergestellt werden, wobei die Haarnadelzweige, die von dem aufzuwärmenden Mittel niedrigerer Temperatur durchströmt werden, den äußeren Rohrkorb bilden, während die Haarnadelzweige mit den höchsten Temperaturen des aufzuwärmenden Mittels den inneren Rohrkorb bilden. Es ist nicht unbedingt notwendig, die Rohrkörbe aus Haarnadelrohren zu bilden, sondern man kann sie auch getrennt herstellen. Dabei ergeben sich dann die verschiedensten, an sich bekannten Schaltungsmöglichkeiten, je nach der gewünschten Temperatur des aufzuwärmenden Mittels.
  • Im weiteren Ausbau der Erfindung kann es ferner zweckmäßig sein, dafür zu sorgen, daß die Heizgase in der Brennkammer eine rotierende Bewegung ausführen. Dieses hat sowohl den Vorteil, daß die Ausbrennlänge der Flamme des Heizmittels größer wird, so daß die Gase besser ausgebrannt zu der Austrittsöffnung der Brennkammer gelangen, als auch den Vorteil, daß hierdurch eine zusätzliche Staubabscheidung erfolgen kann, falls die Heizgase stärker staubhaltig sind, wie es z. B. bei Abgasen von Kupolöfen der Fäll ist. Außerdem ergibt sich durch eine derartige Maßnahme die Möglichkeit, als Heizmittel Kohlenstaub zu verwenden.
  • Die Eintrittsöffnung für das Heizmittel (es können deren auch mehrere angeordnet werden) wird erfindungsgemäß vorteilhaft so ausgebildet, daß die Gase mehr cder weniger tangential zu einem in der Brennkammer gedachten Kreis in die Brennkammer einströmen. Bei rechteckiger Ausführung der Brennkammer bringt man die Eintrittsöffnungen zweckmäßig an den Ecken oder in der Nähe derselben an. Verwendet man nur eine Eintrittsöffnung, so kann diese auch in der Mittellinie der Brennkammerlinie angeordnet sein. Die Austrittsöffnung der Gase wird vorzugsweise immer in der Mittellinie der Brennkammer angeordnet, wobei sie sich sowohl am selben Ende wie die Eintrittsöffnung befinden kann als auch am entgegengesetzten Ende.
  • Es sind bereits Erhitzer für Gas und Luft vorgeschlagen worden, bei denen ein Durchtreten der Wärmestrahlung zwischen den Rohren auf die Wand durch gegenseitige Berührung der Rohre vermieden wird, wobei man auch die Rohre bereits mit flossenartigen Flächen ausgerüstet hat, die jedoch an der Rückseite der Rohre angebracht sind. Bei dieser bekannten Einrichtung wird aber die auf diese Weise mit Flossen ausgerüstete bzw. verrippte hintere Rohrseite noch von Abgasen bestrichen, so daß der Wärmeübergang auf dieser Rückseite von der Temperaturdifferenz zwischen Abgase und Rohrwand und von der Abgasmenge abhängig ist. Bei dieser bekannten Einrichtung ist eine einigermaßen konstante Aufwärmung des durch die Rohre strömenden Mittels nur zu erreichen, wenn die Menge und die Temperatur der beheizenden Gase praktisch konstant sind. In den meisten Fällen ist mit einer Konstanz dieser Werte aber nicht zu rechnen, so daß sowohl die Temperatur des aufzuwärmenden Mittels starken Schwankungen unterworfen ist als auch die Anordnung der sich gegenseitig berührenden Rohre infolge auftretender, zeitlich veränderlicher Wärmespannungen sich nachteilig auswirkt. Diese Mängel werden nach der Erfindung vermieden.
  • In der Zeichnung ist nun das Schema eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt.
  • Abb.1 stellt einen senkrechten Schnitt durch die Brennkammer dar, Abb. 2 einen waagerechten Schnitt, und Abb. 3 zeigt das Beispiel einer Ausführung der Flossenrohre.
  • Im Ausführungsbeispiel treten die in der Brennkammer zu verbrennenden Gase durch die Öffnungen 1 in die Brennkammer ein, wobei diese Öffnungen, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, so schräg zu der Schnittfläche der Zeichnung angeordnet sind, daß sich eine rotierende Bewegung der Gase in der Brennkammer ergibt. Gleichzeitig mit den Gasen bzw. in der Nähe der Eintrittsöffnungen wird die erforderliche Verbrennungsluft eingeführt. Die verbrennenden Gase bewegen sich dann in der Brennkammer zunächst nach einer Schraubenlinie in absteigender Richtung, innerhalb deren sich dann umkehrend eine Aufwärtsströmung in Richtung der Austrittsöffnung 2 ausbildet.
  • Im linken Teil der Abb. 1 ist dargestellt, wie die Rohrkörbe durch haarnadelförmig gebogene Rohre 3 hergestellt werden können. Das aufzuwärmende Mittel tritt in diese durch die Kammer 4 ein und bewegt sich zunächst durch den Haamadelzweig 3a (Abb. 2@ abwärts, kehrt unten um und strömt durch den Haarnadelzweig 3 b aufwärts zu der Austrittskammer 5. Im rechten Teil der Abb. 1 sind die beiden Rohrkörbe durch getrennte Rohre dargestellt. Das aufzuwärmende Mittel tritt hier durch die Kammer 6 in die Rohre 7 ein. Von hier gelangt es über die Kammer 8 durch Umlenkrohre 9 in die Kammer 10 und von hier über die den inneren Rohrkorb bildenden Rohre 11 in die Austrittskammer 12.
  • Der untere Boden der Brennkammer ist im Ausführungsbeispiel trichterförmig dargestellt, wobei durch die Trichteröffnung 13 der in die Brennkammer abgeschiedene Staub abgelassen werden kann. Die Umfassungswände der Brennkammer sind mit 14 bezeichnet. Sie bestehen entweder aus feuerfestem Material entsprechender Qualität mit einer äußeren Blechverkleidung oder aus einer Blechkonstruktion mit einer entsprechenden, an sich bekannten äußeren Wärmeisolierung.
  • Da erfindungsgemäß die Außenwände der Brennkammer keine übermäßig hohen Temperaturen erhalten, kann man sie auch mit Kanälen ausrüsten, durch die das aufzuwärmende Mittel vor dem Eintritt in die Eintrittskammern 4 bzw. 6 hindurchgeleitet wird, wodurch die Wärmeverluste der Gesamtanordnung noch herabgesetzt werden können.
  • Zum Verständnis der Bedeutung der Erfindung trägt noch die folgende theoretische Untersuchung bei: Es wird davon ausgegangen, daß man z. B. bei Verwendung von Kupolofenabgasen für die Beheizung des Rekuperators eine konstante Strahlungsintensität der Flamme nicht aufrechterhalten kann und eine Anpassung der Leistung des Erhitzers an den jeweiligen Bedarf notwendig ist. Es wird daher mit einer zeitlichen Änderung und einer ungleichen Verteilung der Wärmebelastung der Rohre 3 gerechnet. Da das Rohrmaterial bis zur äußersten Grenze belastet werden soll, dürfen keine Spannungen durch die ungleiche Wärmebelastung entstehen. Die Rohre 3 haben also unter sich einen solchen Abstand, daß sie sich frei bewegen können. Spannungen in Richtung der Rohrachse werden durch die Haarnadelform vermieden. Die Flossen der Rohre 3a schirmen die Strahlung ab. Die Lücken zwischen den Flossen liegen im Strahlungsschatten der Rohre 3b. Die Temperatur der Innenfläche der Umfassungswand 14 entsteht lediglich durch die Strahlung der Oberfläche der Rohre 3a, weil in dem Raum zwischen den Rohren 3 a und der Umfassungswand 14 jede Gasströmung vermieden wird. Da das aufzuheizende Mittel in die Rohre 3 a eintritt, haben letztere eine geringe Wandtemperatur. Die Strahlungsintensität fällt mit der vierten Potenz der Temperatur ab; die Umfassungswand 14 bleibt also relativ kühl mit entsprechend geringen Wärmeverlusten. Die Innentemperatur der Umfassungswand 14 ist um den Anteil des Wärmeverlustes niedriger als die Wandtemperatur der Rohre 3a, so daß auch bei Abschalten des Erhitzers nie eine Rückstrahlung auf die Rohre 3a erfolgen kann. Eine Überhitzung der Rohre 3 ist daher ausgeschlossen.
  • Schon jetzt läßt sieh erkennen, daß die Bestückung der Rohre 3 a mit Flossen und die Führung der Strömung des aufzuheizenden Mittels zur Brennkammerachse hin wesentliche technische Vorteile bringen.
  • Eine kurze theoretische Untersuchung der Änderung der Wandtemperaturen der Rohre 3 bei einer Änderung der Leistung des Erhitzers zeigt jedoch erst den gewaltigen technischen Fortschritt, der durch die relativ einfachen Maßnahmen erzielt wird.
  • Nimmt man an, daß die Temperatur to,x an der gasseitigen Oberfläche der Rohre 3 mit der Periode Z um den Mittelwert to um dto nach oben und unten harmonisch schwankt, so kann man setzen: to, z = tQ -[- d to sin (2 as z/Z) .
  • Als Lösung für das Fouriersche Wärmeleitungsgesetz at[sx = 82E[aöx2, worin a die Temperaturleitzahl ist, ergibt sich, wie man sich durch Differenzieren leicht überzeugen kann: Hat das Rohr die Wandstärke s, so ist die Temperatur t$,, an der luftseitigen Heizfläche Die Temperaturschwankung d t,, an der Luftseite ist also d t, = d to 2-3 f--/«z ) , Die Amplituden der Temperaturschwingung werden somit durch die Wandstärke s abgeschwächt. Es ergibt sich außerdem eine Phasenverschiebung um -s -,Iaz , die bei glatten Rohren keine Bedeutung hat, weil die Wandstärke überall gleich ist.
  • Setzt man für das glatte Rohr eine Wandstärke von s = 0,004 m, die Temperaturleitzahl a = 0,0142 m2/1 und eine Periode T. von 0,1 h ein, so ergibt sich d t3 = d to e-0>111 , Wenn die gasseitige Schwankung 100°C beträgt, ist sie luftseitig etwa 83°C. Ein normaler Strahlungs-Rekuperator ist also nicht geeignet, die Schwingungen wesentlich zu verkleinern.
  • Sind nun erfindungsgemäß die Rohre 3a mit Flossen von z. B. 0,04 m Länge bestückt, so wird für den Bereich der Flossen , 4 t, = d to e-111 Wenn die gasseitige Schwankung 100°C beträgt, ist sie luftseitig etwa 15°C.
  • Die Phasenverschiebung, die ja mit dem Exponenten übereinstimmt und für die glatte Rohrwand 0,188/2k = 30/, der Periode beträgt, ist für den mit Flossen bestückten Bereich 1,88/2k = 30% der Periode. Es ist nun ohne weiteres einleuchtend, daß jedes Umfangelement des mit Flossen bestückten Rohres eine andere Phasenverschiebung hat, die zwischen den Grenzwerten 3 % auf der bestrahlten Rohrseite und etwa 50111, auf der Rohrrückseite liegt. Die Phasenverschiebung von etwa 1/2 Periode löscht die Temperaturschwingung durch Interferenz aus.
  • Die Bestückung der Rohre 3a mit Flossen bringt also einen überraschenden Effekt.
  • Die bisher üblichen Strahlungs-Rekuperatoren konnten wegen der starken Temperaturschwankungen in vielen Fällen nicht verwendet werden. Bei der Winderhitzung für Heißwind-Kupolöfen ergaben sich z. B. durch die Temperaturschwankungen, die auf die zehn Gichtspiele zurückzuführen sind, derartige Analysenschwankungen, besonders im Siliziumgehalt der Schmelze, daß ein einwandfreier Betrieb unmöglich war. Dieser Mangel ist durch die vorliegende Erfindung beseitigt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Brennkammer zur Luft- oder Gaserhitzung mittels der Strahlungswärme einer heißen Flamme mit eingebauten senkrechten oder annähernd senkrechten Rohren, durch die das aufzuwärmende Mittel geleitet wird, wobei die Rohre mehrere Rohrkörbe bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des äußeren Rohrkorbes an ihrem Außenmantel an sich bekannte Zusatzheizflächen besitzen. z. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzheizflächen flossenartig ausgebildet sind und in der Zylindermantelfläche des Rohrkorbes liegen. 3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuwärmende Mittel in die Rohre des äußeren Rohrkorbes eintritt und aus den Rohren des inneren Rohrkorbes austritt. 4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei konzentrische Rohrkörbe in an sich bekannter Weise aus haarnadelförmig gebogenen Rohren gebildet werden. 5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Eintrittsöffnungen für das Heizmittel zentral oder verteilt so angeordnet sind, daß das Heizmittel beim Eintritt in die Brennkammer eine rotierende Bewegung der Flamme in der Brennkammer ausführt. 6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer an ihrem unteren Ende mit einem Staub- und Aschesammeltrichter ausgerüstet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 888 780, 874678, 721320; schweizerische Patentschrift Nr. 305 827.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE721320C (de) * 1938-10-10 1942-06-02 Tech Studien Ag Einrichtung zum Kuehlen der Erhitzerrohre von Waermekraftanlagen, in welchen ein gasfoermiges Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt
DE874678C (de) * 1948-08-07 1953-04-27 Tech Studien Ag Roehrengaserhitzer, insbesondere fuer feste Brennstoffe, vorzugsweise zur Verwendungbei zweistufigen Gasturbinenanlagen
DE888780C (de) * 1943-05-19 1953-09-03 Tech Studien Ag Gaserhitzer fuer Waermekraftanlagen
CH305827A (de) * 1952-11-07 1955-03-15 Tech Studien Ag Erhitzer für Gase und Dämpfe.

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