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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der Zeichnung ist nun das Schema eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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) .
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Bestückung der Rohre 3a mit Flossen bringt also einen überraschenden
Effekt.
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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.