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Die
Erfindung betrifft einen Satz von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen,
deren Mitglieder jeweils aufweisen:
- a) ein
Gehäuse,
das einen Einlaß für zu reinigendes
Gas und einen Auslaß für gereinigtes
Gas aufweist;
- b) einen innerhalb des Gehäuses
angeordneten Brenner;
- c) eine innerhalb des Gehäuses
angeordnete Brennkammer, welcher das zu reinigende Gas zuführbar ist
und in der der Brenner eine Flamme erzeugt;
- d) einen eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren umfassenden
Wärmetauscher,
mit welchem dem die Brennkammer verlassenden heißen Gas Wärme entzogen und dem der Brennkammer
zugeleiteten Gas zugeführt
wird.
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Bekannte
thermische Nachverbrennungsvorrichtungen, wie sie derzeit auf dem
Markt sind, besitzen Wärmetauscherrohre
mit einer glatten Oberfläche.
Damit ist der Wirkungsgrad des aus diesen Wärmetauscherrohren aufgebauten
Wärmetauschers
im wesentlichen festgelegt. Das Ausmaß, in dem den die thermische
Nachverbrennungsvorrichtung verlassenden Gasen die Wärme entzogen
und in dem den verunreinigten Gasen vor der Brennkammer die Wärme zugeführt wird,
liegt ein für
allemal fest. Es besteht jedoch, je nach der der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung
nachgeschalteten Anlage, durchaus der Wunsch nach unterschiedlichen
Auslaßtemperaturen
des gereinig ten Gases. Bisher wurden hierzu die Wärmetauscher
der im Einzelfall verwendeten thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen
dadurch in ihrer Kapazität
angepasst, daß ihre
Länge verändert wurde.
Dies bedeutete jedoch einen sehr tiefgreifenden Eingriff in die
grundsätzliche
Bauweise der thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen, so daß bei den
unterschiedlichen Mitgliedern dieses bekannten Satzes von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen
zum Teil ganz unterschiedliche Baukomponenten verwendet werden mußten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Satz von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen
zu schaffen, dessen einzelne Mitglieder kostengünstiger herstellbar sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß
- e) die Mantelfläche der Wärmetauscherrohre (10) zumindest
bereichsweise mit Erhebungen und/oder Vertiefungen (18)
versehen sind;
- f) die Dichte und/oder die Höhe
der Erhebungen bzw. Tiefe der Vertiefungen (18) und/oder
die Größe des Bereichs
der Erhebungen und/oder Vertiefungen für die unterschiedlichen Mitglieder
des Satzes von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen (1)
unterschiedlich sind, während
die übrige
Bauweise der unterschiedlichen Mitglieder des Satzes im wesentlichen
identisch ist.
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Dadurch,
daß erfindungsgemäß die Wärmetauscherrohre
nicht mit glatter Mantelfläche
sondern mit Erhebungen und/oder Vertiefungen an dieser Mantelfläche versehen
sind, wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad
bei der Einstellung des gewünschten Wärmetauscherwirkungsgrades erreicht:
Je mehr Erhebungen und/oder Vertiefungen bei einer gegebenen Anzahl
von Wärmetauscherrohren
und einem gegebenen Durchmesser dieser Wärmetauscherrohre vorgesehen
sind und umso höher
bzw. tiefer sie sind, um so größer ist
die effektive Wärmetauscherfläche und
damit auch der Wärmetauscherwirkungsgrad.
Es ist nunmehr möglich,
den unterschiedlichen Mitgliedern des Satzes von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen
allein dadurch unterschiedliche Wärmetauscherwirkungsgrade nach
Wunsch zu geben, das die Zahl und/oder die Höhe der Erhebungen bzw. Tiefe
der Vertiefungen bei diesen unterschiedlichen Mitgliedern unterschiedlich
gewählt wird.
Die Länge
der Wärmetauscherrohre
und damit alle mit dieser Länge
verknüpften
Bauelemente, so insbesondere auch das Gehäuse, die Brennkammer, die Rohrböden, an
denen die Wärmetauscherrohre beidseitig
befestigt sind, können
unverändert
bleiben. Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Komponenten der
thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen in größerer Stückzahl rationell fertigen, womit
eine erhebliche Preisreduzierung verbunden ist. U. U. ist es auch
möglich,
eine bereits vorhandene thermische Nachverbrennungsvorrichtung durch Austausch
der unterschiedlich gestalteten Wärmetauscherrohre von einem
vorhandenen, nicht mehr gewünschten
Wärmetauscherwirkungsgrad
auf einen neuen Wärmetauscherwirkungsgrad
umzurüsten.
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Zweckmäßig ist,
wenn die Wärmetauscherrohre
von zu reinigendem Gas durchströmt
und über ihre
Mantelfläche
von gereinigtem Gas angeströmt werden.
Dann ist es nämlich
möglich,
die Ablagerungen, welche das verunreinigte Gas in den Wärmetauscherrohren
zwangsläufig
hinterläßt, von
Zeit zu Zeit durch eine Bürste
abzureinigen, ähnlich
wie dies ein Kaminfeger tut. Bei bekannten thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen
war die Art der Anströmung umgekehrt:
Das saubere, die Brennkammer ver lassende Gas wurde durch das Innere
der Wärmetauscherrohre
geführt,
während
das die Verunreinigungen mit sich führende Gas die Außenfläche der
Wärmetauscherrohre
beaufschlagte. Hier war der Reinigungsprozeß erheblich schwieriger.
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Werden
die Wärmetauscherrohre
von zu reinigendem Gas durchströmt,
ergibt sich der zusätzliche
Vorteil, daß dem
gereinigten Gas, das heißer
ist und daher ein größeres Volmen
einnimt, ein größerer Strömungsquerschnitt
zur Verfügung
steht; die Drosselung ist entsprechend geringer.
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Das
Gehäuse
sollte einen abnehmbaren Deckel besitzen, insbesondere um zu den
Wärmetauscherrohren
bei deren Reinigung Zugang zu erhalten.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Längsachse
des Gehäuses
vertikal verläuft.
Bei bisherigen thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen wurden
die Gehäuse "liegend", also mit horizontal
verlaufender Längsachse,
aufgestellt. Dies hatte seinen Grund darin, daß zur Erzielung einer ausreichend großen Wärmetauscherleistung
verhältnismäßig lange
Wärmetauscherrohre
erforderlich waren, was das Gehäuse
sehr lang machte. Auf Grund der in vielen Fällen nicht ausreichenden Raumhöhe war es
daher erforderlich, das Gehäuse
zu "legen". Da jedoch das Gehäuse über seine
Längserstreckung
hinweg sehr unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist, mussten
besondere Auflagen für
das Gehäuse
geschaffen werden, mit denen in unterschiedlichen Bereichen des
Gehäuses
eine Verschiebung gegen die mit dem Boden verbundene, tragende Struktur
möglich
war, um thermische Ausdehnungen zu kompensieren. Dies war sehr aufwendig.
Auf Grund der größeren Wärmetauscherfläche, die
von den mit Erhebungen und/oder Vertiefungen versehenen Wärmetauscherrohren
erzielt wird, können
diese sehr viel kürzer
gehalten werden. Dies wiederum ermöglicht, auch bei verhältnismäßig geringen
Raumhöhen
die thermische Nachverbrennungsvorrichtung bzw. deren Gehäuse "aufrecht zu stellen", also mit vertikaler Längsachse
anzuordnen.
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Ein
AusfÜhrungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die
einzige Figur zeigt einen vertikalen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße thermische
Nachverbrennungsvorrichtung.
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Die
in der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehene
thermische Nachverbrennungsvorrichtung umfaßt ein in der Draufsicht kreisförmiges Gehäuse 2 mit
einem seitlich angeordneten Einlaßstutzen 3 für Verunreinigungen
enthaltende Abluft und einem diesem Einlaßstutzen 3 diametral gegenüberliegenden,
jedoch etwas höher
angeordneten Auslaßstutzen 4 für gereinigte
Luft. Der Einlaßstutzen 3 kommuniziert
mit einem unteren Luftverteilraum 5, der nach unten durch
einen wärmeisolierten Boden 6 und
nach oben zum einen durch den Boden 8 eines becherförmigen Isolier-
und Umlenkeinsatzes 7 und zum anderen durch einen den Boden 8 umgebenden
ringförmigen
Rohrboden 9 begrenzt ist. In dem ringförmigen Rohrboden 9 sind
die unteren Enden einer Vielzahl achsparalleler Wärmetauscherrohre 10 befestigt,
welche alle denselben radialen Abstand von der Achse des Gehäuses 2 besitzen. Die
Innenräume
der Wärmetauscherrohre 10 kommunizieren
an ihrem unteren Ende mit dem Luftverteilraum 5.
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Die
oberen Enden der Wärmetauscherrohre 10 sind
in einem oberen Wärmetauscherboden 11 befestigt,
der sich bis auf eine achsnahe Durchgangsöffnung 12 über den
gesamten Querschnitt des Gehäuses 2 erstreckt.
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Das
Gehäuse 2 umfasst
einen kuppelartigen Deckel 2a, der auf den im Querschnitt
kreisförmigen Abschnitt 2b des
Gehäuses 2 dicht
aber lösbar
aufgesetzt ist. Durch eine obere, achsnahe Öffnung 13 des Deckels 2a ist
ein Brenner 14 ins Innere des Gehäuses 2 eingeführt, der
bis in die Öffnung 12 des oberen
Rohrbodens 11 hineinreicht. Der Brenner 14 wird über nicht
dargestellte Leitungen mit Brennstoff, beispielsweise Gas, versorgt.
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Der
Deckel 2a und der obere Rohrboden 11 begrenzen
gemeinsam einen oberen Verteilraum 15, der mit den oberen
Enden der Innenräume
der Wärmetauscherrohre 10 kommuniziert.
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Radial
innerhalb des nach oben offenen Isolier- und Umlenkeinsatzes 7 erstreckt
sich koaxial ein zylindrisches Brennkammergehäuse 16, das unten
in Abstand von dem Boden 8 des Einsatzes 7 endet
und dort offen ist.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Wärmetauscherrohren 10 sind
die hier verwendeten Wärmetauscherrohre 10 nicht
mit glatter Mantelfläche
versehen; vielmehr weisen die Wärmetauscherrohre 10 in einem
unteren axialen Bereich eine Vielzahl von Vertiefungen 18 auf,
durch welche die effektive Wärmetauscherfläche der
Wärmetauscherrohre 10 gegenüber solchen
mit glatter Mantelfläche
erhöht
wird. Die effektive Wärmetauscherfläche hängt somit
nicht nur vom Radius und der Länge
der Wärmetauscherrohre 10 sondern
auch von der Dichteverteilung der Vertiefungen 18 und von
deren Tiefe sowie von der Länge des
axialen Bereichs, auf dem Vertiefungen 18 vorgesehen sind,
ab.
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Der
ringförmige
Zwischenraum 25 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Isolier-
und Umlenkeinsatz 7 ist durch zwei Ringräume 26, 27 radial
erweitert. Der erste Ringraum 26 befindet sich am unteren Ende
des Zwischenraumes 25 und steht über einen Kanal 28 mit
dem Auslaßstutzen 4 in
Verbindung. In dem Kanal 28 liegt eine verstellbare Drosselklappe 30.
Der zweite Ringraum 27 befindet sich etwas unterhab der
halben Höhe
des Zwischenraumes 25. Er ist über einen Kanal 29,
in dem eine einstellbarre Drosselklappe 31 liegt, mit dem
Auslaßstutzen 4 verbunden.
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Die
in der Zeichnung dargestellte thermische Nachverbrennungsvorrichtung 1 arbeitet
wie folgt:
Die zu reinigende Abluft wird über den Einlaßstutzen 3 in
den unteren Verteilraum 5 geleitet. Von dort strömt sie in
die unteren Enden der Wärmetauscherrohre 10 ein,
durchströmt
diese nach oben bis in den oberen Verteilraum 15, von wo
sie, ggfs. durch Luftschaufeln 19 des Brenners 14 verwirbelt,
in den innerhalb des Brennkammergehäuses 16 befindlichen Brennraum 20 eintritt.
Dort wird sie mit Hilfe des Brenners 14 auf eine Temperatur
erwärmt,
bei welcher die Verunreinigungen verbrennen.
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Aus
dem unteren Ende des Brennkammergehäuses 16 tritt somit
gereinigtes Gas aus, welches in dem Zwischenraum zwischen der Außenmantelfläche des
Brennkammergehäuses 16 und
der Innenmantelfläche
des Isolier- und Umlenkeinsatzes 7 wieder nach oben strömt, von
dort über
den oberen Rand des Isolier- umd Umlenkeinsatzes 7 radial
nach außen
in den ringförmigen
Zwischenraum 25 gelangt, der zwischen der Außenmantelfläche des
Isolier- und Umlenkeinsatzes 7 und der Innenmantelfläche des
zylindrischen Abschnittes 2b des Gehäuses 2 liegt und durch
den die Wärmetauscherrohre 10 verlaufen.
Nimmt man zunächst
an, daß die
obere Drosselklappe 31 geschlossen und die untere Drosselklappe 30 geöffnet ist,
so strömt
das gereinigte Gas parallel zu den Wärmetauscherrohren 10 nach unten
und gelangt über
den unteren Ringraum 26 und den Kanal 28 zum Auslaßstutzen 4 und
von dort zu einem nachgeschalteten Anlagenteil, z. B. einem Trockner,
in dem die Temperatur der gereinigten Gase in geeigneter Weise genutzt
wird.
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Der
Wirkungsgrad des von den Wärmetauscherrohren 10 gebildeten
Wärmetauschers
hängt offensichtlich
von der Wärmetauscherfläche und
damit, wie oben schon angemerkt, von der Zahl der Wärmetauscherrohre 10,
deren Durchmesser sowie der Zahl und Tiefe der Vertiefungen 18 ab.
Sind diese Daten einmal festgelegt, ist auch der Wärmetauscherwirkungsgrad
bestimmt. Die über
den Einlaßstutzen 3 zuströmende Abluft
wird daher beim Durchgang durch die Wärmetauscherrohre 10 in
einem ganz bestimmten Ausmaße
erwärmt.
Entsprechend sinkt die Temperatur der die thermische Nachverbrennungsvorrichtung 1 über den
Auslaßstutzen 4 verlassenden
Luft ebenfalls auf einen ganz bestimmten Wert.
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Der
Brenner 14 muß der
die Wärmetauscherrohre 10 verlassenden
Abluft so viel Energie zuführen,
daß ihre
Temperatur auf die im Brennraum 20 zur Verbrennung der
Verunreinigungen erforderliche Temperatur gebracht wird.
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Wenn
der thermische Nachverbrennungsvorrichtung 1 eine Anlagenkomponente
nachgeschaltet ist, für
die eine andere Temperatur der zugeführten gereinigten Luft zweckmäßig ist,
so kann der Wirkungsgrad des durch die Wärmetauscherrohre 10 gebildeten
Wärmetauschers
entsprechend geändert werden.
Wird beispielsweise gewünscht,
daß die Temperatur
der aus dem Auslaßstutzen 4 austretenden
Luft höher
als bei der in der Zeichnung dargestellten thermischen Nach verbrennungsvorrichtung 1 ist,
so muß der
Wirkungsgrad des Wärmetauschers verkleinert
werden. Hierzu genügt
es, die Wärmetauscherrohre 10 durch
solche zu ersetzen, die eine geringere effektive Wärmetauscherfläche zur
Verfügung
stellen, also insbesondere durch solche, die eine geringere Zahl
und/oder Tiefe der Vertiefungen 18 besitzen. Alle übrigen Anlagenkomponenten
können
in ihrer Dimensionierung unverändert
bleiben.
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Auf
diese Weise kann der Hersteller einen ganzen "Satz" von
thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen 1 anbieten, die
weitestgehend baugleich sein können
und daher rationell und kostengünstig
hergestellt werden können,
dabei gleichwohl für
unterschiedliche Anwendungszwecke, die unterschiedliche Auslaßtemperaturen
der gereinigten Luft erfordern, geeignet sind.
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Bei
jedem Mitglied dieses Satzes kann durch den einstellbaren By-Pass,
der durch den oberen Ringraum 27, den Kanal 29 und
die Drosselklappe 31 gebildet ist, die Auslaßtemperatur
verändert
werden. Zur Erhöhung
der Auslaßtemperatur
wird die obere Dosselklappe 31 etwas geöffnet und die untere Drosselklappe 30 entsprechend
geschlossen. Mit Hilfe der Drosselklappen 30, 31 kann
die thermische Nachverbrennungsvorrichtung 1 außerdem in
gewissem Umfang an unterschiedliche Volumenströme angepaßt werden.