DE1083471B

DE1083471B - Radiation recuperator

Info

Publication number: DE1083471B
Application number: DER19606A
Authority: DE
Original assignee: Rekuperator K G
Current assignee: Rekuperator K G
Priority date: 1956-09-08
Filing date: 1956-09-08
Publication date: 1960-06-15

Description

Strahlungsrekuperator Strahlungsrekuperatoren, d. h. Rekuperatoren, in denen das wärmeabgebende Gas (im folgenden auch kurz »Gas« genannt) seine Wärme überwiegend durch ultrarote Gasstrahlung an das wärmeaufnehmende Gas (im folgenden auch »Luft« genannt) abgibt, sind in Fällen, in denen es nicht auf den Wirkungsgrad ankommt und in denen es sich nicht um zu große Luftmengen handelt, Konvektionsrekuperatoren wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen Überhitzungen und gegen Staubgehalt des Gases sowie ihres fehlenden Druckverlustes auf der Gasseite überlegen.Radiation recuperator radiation recuperators, d. H. Recuperators, in which the heat-emitting gas (in the following also called "gas" for short) its heat predominantly through ultra-red gas radiation to the heat-absorbing gas (in the following also called "air") are in cases where it does not affect the efficiency arrives and in which there is not too much air, convection recuperators because of their insensitivity to overheating and to the dust content of the gas as well as their lack of pressure loss on the gas side.

Diese Überlegenheit gilt aber nur so lange, wie die Belastung des Rekuperators einigermaßen der Sollast entspricht. Bei starker Unterbelastung verschiebt sich das Verhältnis der Wärmeübergangszahl des Gases zu der der Luft in unerträglicher Weise. Denn die Gasstrahlung ist unabhängig von der Gasgeschwindigkeit, während die Wärmeübergangszahl der Luft mit der 0,8-ten Potenz der Luftgeschwindigkeit abnimmt. Ist a die Wärmeübergangszahl des Gases und x die Wärmeübergangszahl der Luft und t und t' die Temperatur von Gas und Luft,. so ist die Wandtemperatur des Rekuperators nach A. Schack, »Der industrielle Wärmeübergang«; 4. Auflage, 1953, G1. 484, Aus. dieser Gleichung folgt, daß _ im Extremfall, d. h., wenn die Wärmeübergangszahl der Luft ä Null wird, die Wandtemperatur t, gleich der Gastemperatur t wird. Da bei Strahlungsrekuperatoren normalerweise die Eintrittstemperatur des Gases 1100 bis 1200° C beträgt, würde also die Wandtemperatur des Rekuperators diese Temperatur annehmen, was zur schnellen Zerstörung des Rekuperators führen würde.However, this superiority only applies as long as the load on the recuperator is more or less equal to the target load. In the event of severe underloading, the ratio of the heat transfer coefficient of the gas to that of the air shifts in an unbearable way. This is because the gas radiation is independent of the gas speed, while the heat transfer coefficient of the air decreases with the 0.8th power of the air speed. If a is the heat transfer coefficient of the gas and x the heat transfer coefficient of the air and t and t ' the temperature of gas and air ,. this is the wall temperature of the recuperator according to A. Schack, "The industrial heat transfer"; 4th edition, 1953, G1. 484, The end. It follows from this equation that in the extreme case, that is, when the heat transfer coefficient of the air becomes zero, the wall temperature t becomes equal to the gas temperature t. Since the inlet temperature of the gas in radiation recuperators is normally 1100 to 1200 ° C., the wall temperature of the recuperator would assume this temperature, which would lead to the rapid destruction of the recuperator.

Nun werden die modernen Einsatzöfen, besonders die Tieföfen, von Temperaturreglern in der Weise gesteuert, daß die Gasmenge mit steigender Temperatur des Ofens mehr und mehr zurückgenommen wird, um bei Erreichung der Solltemperatur während der »Ausgleichszeit« der Blöcke auf etwa 10°/o der Normalmenge und darunter zu kommen.Now the modern insert ovens, especially the soaking ovens, are controlled by temperature controllers controlled in such a way that the amount of gas with increasing temperature of the furnace more and more is withdrawn, so that when the target temperature is reached during the »equalization time« of the blocks to come to about 10 per cent of the normal amount and below.

In dieser Periode ist nun die Temperatur des in den Rekuperator eintretenden Gases besonders hoch und damit die fast ganz auf Gasstrahlung beruhende Wärmeübergangszahl a ebenfalls besonders hoch, während die auf reiner Konvektion beruhende Wärmeübergangszahl der Luft auf den 100,8-ten Teil, d. h. auf 16°/o des Normalwertes abfällt. Das führt bereits in die Nähe des oben angegebenen Extremwertes.During this period, the temperature of the one entering the recuperator is now Gas is particularly high and thus the heat transfer coefficient, which is almost entirely based on gas radiation a is also particularly high, while the heat transfer coefficient based on pure convection the air on the 100.8th part, d. H. falls to 16 ° / o of normal. Leading already in the vicinity of the extreme value given above.

Um allgemein eine verstärkte Kühlung des heißen Teiles zu erzielen, sind einige Strahlungsrekuperatoren für solche Öfen in Gleichstromschaltung ausgeführt worden, d. h., die kalte Luft tritt an dem heißen Ende des Rekuperators, wo auch das Gas eintritt, ein. Wenn auch hierdurch keine vollständige Sicherheit erreicht werden kann, wurden doch ausreichende Ergebnisse erzielt. Bei dieser Gleichstromschaltung ist aber der Wirkungsgrad des Rekuperators besonders schlecht, weil entsprechend dem Gleichstromprinzip die Abgastemperatur erheblich über der Vorwärmungstemperatur der Luft liegt. Außerdem ist die Heizfläche groß, da die mittlere Temperaturdifferenz Gas - Luft klein ist.In order to generally achieve increased cooling of the hot part, some radiation recuperators for such furnaces are designed in direct current connection been, d. i.e., the cold air enters the hot end of the recuperator, where too the gas enters, enters. Even if this does not achieve complete security sufficient results have been obtained. With this DC circuit but the efficiency of the recuperator is particularly bad because it is accordingly the direct current principle, the exhaust gas temperature is significantly higher than the preheating temperature the air lies. In addition, the heating surface is large because of the mean temperature difference Gas - air is small.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Strahlungsrekuperator zu erstellen, der sich unter Aufrechterhaltung eines guten Wirkungsgrades sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpassen kann, wie sie z. B. besonders Tieföfen verursachen, wenn sie von Temperaturreglern gesteuert werden.The object of the invention is to create a radiation recuperator, which vary greatly while maintaining good efficiency Can adapt operating conditions, such as. B. cause particularly deep ovens, if they are controlled by temperature controllers.

Zur Lösung der Aufgabe wird für einen Strahlungsrekuperator, der vom wärmeaufnehmenden Gas in dem am Eintritt des wärmeabgebenden Gases gelegenen Teil im Gleich- und in dem am Austritt gelegenen Teil im Gegenstrom zum wärmeabgebenden Gas durchströmt wird, gemäß der Erfindung vorgeschlagen, beide Teile in bezug auf das wärmeaufnehmende Gas zueinander parallel zu schalten. Dadurch wird erreicht, daß einerseits der am heißen Teil des Rekuperators eintretende Luftstrom die Wandtemperatur dieses Teiles niedrig hält und andererseits durch den beim Gasaustritt eintretenden Teil des Luftstromes die Abgase den Rekuperator mit geringerer Temperatur verlassen als der erhitzte Luftstrom; die Vorteile eines Gleichstromrekuperators werden mit den Vorteilen eines Gegenstromrekuperators verbunden.To solve the problem is for a radiation recuperator from heat-absorbing gas in the part located at the inlet of the heat-emitting gas in the cocurrent and in the part located at the outlet in countercurrent to the heat emitting Gas is flowed through, proposed according to the invention, both parts with respect to to connect the heat-absorbing gas to each other in parallel. This achieves that on the one hand the air flow entering the hot part of the recuperator increases the wall temperature this part keeps low and on the other hand by the entering at the gas outlet Part of the air flow, the exhaust gases leave the recuperator at a lower temperature than the heated air stream; the advantages of a direct current recuperator are with linked to the advantages of a countercurrent recuperator.

Einen diese Vorteile wahrenden, besonders zweckmäßigen und wenig aufwendigen Aufbau erhält der Rekuperator, wenn er entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung aus einem doppelwandigen Zylindermantel besteht, dessen Innenraum von dem wärmeabgebenden Gas durchströmt wird, während in dessen Ringraum an den Enden je ein Strom des wärmeaufnehmenden Gases eintritt und beide Ströme in einem ringförmigen Sammelkanal zusammentreffen und über eine gemeinsame Leitung abgeführt werden.One that preserves these advantages, is particularly useful and inexpensive The recuperator receives structure when it is in accordance with a further feature of the invention from a double-walled Cylinder jacket consists, the interior of which is flowed through by the heat-emitting gas, while in its annulus to the Ends a stream of the heat-absorbing gas enters and both streams in one meet ring-shaped collecting channel and discharged via a common line will.

Durch das Zusammentreffen der beiden, aus entgegengesetzten Richtungen strömenden, durch ihre Erwärmung in verschiedenen Rekuperatorteilen eventuell auf unterschiedliche Temperaturen gebrachten Teilströme erfolgt eine sehr starke Verwirbelung und Beströmung des Innenzylinders im Bereich des ringförmigen Sammelkanals. Damit wird auch an der Stelle höchster Lufttemperatur noch eine intensive Kühlung des Innenzylinders erzielt.By the meeting of the two, from opposite directions flowing, possibly due to their heating in various recuperator parts A very strong turbulence takes place when the partial flows brought at different temperatures and flow through the inner cylinder in the area of the annular collecting channel. In order to intensive cooling of the Inner cylinder achieved.

Um Überhitzungen des Rekuperatorinnenmantels am heißen Ende auch in Perioden zu verhindern, in denen die Kühlwirkung der Luft wegen ihrer geringen Wärmeübergangszahl nicht mehr ausreicht - also z. B. wenn Tieföfen auf 10°/o oder weniger herabgeregelt werden -, wird gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung vorgeschlagen, den Außenmantel des Rekuperators am heißen Ende mit speicherfähigen, wärmeleitenden Steinen zu ummauern. Statt der sonst üblichen Isolierung erhält das heiße Ende des Gleichstromteiles eine Ummauerung aus Steinen mit möglichst hoher Temperaturleitzahl und möglichst hohem Raumgewicht, also hohem Speichervermögen. Diese Steinschicht kann dann außen noch besonders isoliert werden. Nimmt man beispielsweise einen Stein von 125 mm Stärke mit dem noch nicht sehr hohen Raumgewicht 2000 kg/mg und der Wärmeleitzahl R = 1,0 kcal/mh° C, Steine, die leicht zu erhalten sind, so ergibt die Rechnung, daß für die Dauer von mehr als einer halben Stunde vom Mauerwerk je m2 eine Wärmemenge aufgenommen wird, die von ähnlicher Größe ist wie die im Normalbetrieb übertragene. Das bedeutet natürlich einen erheblichen Kühleffekt und damit einen Schutz des Rekuperators bei unbeabsichtigten oder periodischen kurzzeitigen Überhitzungen. Der Wärmetransport an die Steine erfolgt durch Strahlung vom Innenzylinder des Rekuperators über einen Luftspalt, der von der inneren Wand der Steinmauer und der Außenwand des Innenzylinders gebildet wird. Bei den in Frage kommenden Temperaturen ist diese Strahlung sehr stark, so daß der Umstand, daß die wärmespeichernden Steine nicht unmittelbar am Innenzylinder anliegen, ohne Belang ist.To prevent overheating of the recuperator jacket at the hot end, also in To prevent periods in which the cooling effect of the air because of its low heat transfer coefficient is no longer sufficient - e.g. B. when soaking pots are regulated down to 10% or less - is proposed according to a further characteristic of the invention, the Outer jacket of the recuperator at the hot end with storable, thermally conductive To wall stones. Instead of the usual insulation, the hot end of the DC part a walling made of stones with the highest possible temperature diffusivity and the highest possible density, i.e. high storage capacity. This layer of stone can then be specially insulated on the outside. Take a stone, for example of 125 mm thickness with the not very high density of 2000 kg / mg and the coefficient of thermal conductivity R = 1.0 kcal / mh ° C, stones that are easy to obtain, the calculation shows, that for a period of more than half an hour from the masonry per m2 an amount of heat is recorded, which is of a similar size to that transmitted in normal operation. Of course, this means a considerable cooling effect and thus protection of the recuperator in the event of unintentional or periodic brief overheating. The heat transport to the stones is carried out by radiation from the inner cylinder of the recuperator via a Air gap created by the inner wall of the stone wall and the outer wall of the inner cylinder is formed. At the temperatures in question, this radiation is very high strong, so that the fact that the heat-storing stones are not immediately on The inner cylinder, is irrelevant.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt dargestellt.In the drawing, an embodiment of the invention is in longitudinal section shown.

Der Strahlungsrekuperator besteht aus den beiden konzentrischen, einen Ringraum n einschließenden Zylindern a und b. Diese enden in den Sammelring-Kanälen c, d, und e. Bei f tritt das heizende Feuergas in den Rekuperator ein und verläßt ihn bei ä. Die kalte Luft wird in der Leitung h zugeführt, die sich in die Leitungen i und j teilt, in denen die kalte Luft in die Ringkanäle c und e geleitet wird. Somit tritt ein Teil der kalten Luft am heißen Ende des Gesamtrekuperators ein, wodurch der Gleichstrom charakterisiert ist und ein Teil am kalten Ende, wodurch der Gegenstrom charakterisiert ist. Die beiden Rekuperatorteile sind so bemessen, daß beide die Luft auf die gewünschte Temperatur von z. B. 650° C vorwärmen. Die beiden Luftströme treffen im Ringkanal d aufeinander, wobei eine starke Wirbelung und damit eine intensive Berührung und Kühlung des Innenzylinders a im Bereiche des Sammelkanals d erzielt wird. Die nun wiedervereinten und vermengten Luftströme werden in der Heißluftleitung k zu den Brennern des Ofens geführt. Am heißen Ende des Rekuperators sind sowohl der Verteilerkanal e als auch der Innenzylinder a von der Mauer l aus Steinen mit hohem Speichervermögen umgeben, die durch die Isolierungen gegenüber dem Außenzylinder b abgeschirmt ist. Die Mauer L umschließt den Innenzylinder a in einem geringen Abstand, so daß ein Kanal i2 mit schmalem, ringförmigem Querschnitt für den Durchfluß der Luft vom Verteilerkanal zum Sammelkanal d entsteht.The radiation recuperator consists of the two concentric cylinders a and b enclosing an annular space n. These end in the collecting ring channels c, d, and e. At f, the heating fire gas enters the recuperator and leaves it at ä. The cold air is fed in line h, which divides into lines i and j , in which the cold air is directed into ring channels c and e. Thus, part of the cold air enters at the hot end of the overall recuperator, which characterizes the cocurrent flow and a part at the cold end, which characterizes the countercurrent flow. The two recuperator parts are dimensioned so that both the air to the desired temperature of z. B. preheat 650 ° C. The two air streams meet in the annular channel d, with a strong vortex and thus an intensive contact and cooling of the inner cylinder a in the area of the collecting channel d is achieved. The now reunited and mixed air streams are guided in the hot air line k to the burners of the furnace. At the hot end of the recuperator, both the distribution channel e and the inner cylinder a are surrounded by the wall l made of stones with a high storage capacity, which is shielded from the outer cylinder b by the insulation. The wall L encloses the inner cylinder a at a small distance, so that a channel i2 with a narrow, annular cross-section for the flow of air from the distribution channel to the collecting channel d is created.

Zum Stand der Technik ist zu erwähnen, daß Strahlungsrekuperatoren bekannt sind, bei denen der zu erhitzende Luftstrom ungeteilt zunächst im Gleichstrom durch die gesamte Gassäule geführt und dann umgelenkt wird, um nun auch im Gegenstrom zum Gasstrom Wärme aufzunehmen. Solche Rekuperatoren erfordern einen sehr erheblichen Aufwand und kühlen den Strahlungszylinder nur unzureichend, da die Kaltluft in Rohren geführt ist und folglich die Wanddung des Strahlungszylinders nicht unmittelbar beströmt.Regarding the state of the art, it should be mentioned that radiation recuperators are known in which the air flow to be heated is initially undivided in cocurrent is passed through the entire gas column and then diverted to now also in countercurrent to absorb heat to the gas flow. Such recuperators require a very substantial one Effort and cool the radiation cylinder inadequately because the cold air in pipes is performed and consequently the wall dung of the radiation cylinder not directly flowed.

Ferner ist es bei einem Konvektionsrekuperator bekannt, dem die Kaltluft am kühleren Ende zugeführt wird, einen Teil der Kaltluft abzuzweigen und dem heißen Ende für die Kühlung des Rohrbodens der das Heizgas führenden Rohre zuzuführen. Der Rohrboden besteht hierbei aus zwei Platten, die einen Hohlraum einschließen, durch den die Rohrenden hindurchgeführt sind und durch den die kalte Luft strömt. Der hierbei vorgewärmte Luftstrom kann zwecks weiterer Vorwärmung mit dem Hauptluftstrom wiedervereinigt werden, zweckmäßig an einer Stelle des Rekuperators, an der beide Luftströme auf ungefähr gleiche Temperaturen vorgewärmt sind. Diese Ausführung hat nichts mit dem Grundgedanken des Erfindungsgegenstandes zu tun, bei einfacher Bauweise -die Vorteile der Luftführung im Gleich-und Gegenstrom beizubehalten und eine Überhitzung des heißen Rekuperatorendes selbst unter ungünstigen Betriebsbedingungen zu vermeiden.It is also known in a convection recuperator to which the cold air is supplied at the cooler end, diverting part of the cold air and the hot To supply the end for cooling the tube sheet of the tubes carrying the heating gas. The tube sheet consists of two plates that enclose a cavity, through which the pipe ends are passed and through which the cold air flows. The air flow preheated in this way can be used for further preheating with the main air flow are reunited, expediently at one point of the recuperator where both Air streams are preheated to approximately the same temperature. This version has nothing to do with the basic idea of the subject matter of the invention, with a simple construction -to maintain the advantages of direct and counter-current air flow and prevent overheating to avoid the hot end of the recuperator even under unfavorable operating conditions.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Radiation recuperator through which the heat-absorbing gas flows in the same direction as the heat-dissipating gas in the part located at the inlet of the heat-emitting gas and in the part located at the outlet in countercurrent to the heat-emitting gas, characterized in that both parts with respect to the heat-absorbing gas to each other are connected in parallel.

2. Radiation recuperator according to claim 1, characterized in that the recuperator consists of a double-walled cylinder jacket consists, the interior of which is flowed through by the heat-emitting gas, while a stream of the heat-absorbing gas enters its annulus at the ends and both streams meet in an annular collecting channel and via one common line are discharged.

3. Recuperator according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the outer jacket at the hot end with storable, thermally conductive Stone walled. Documents considered: French patents No. 834252, 1076525.