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Aus Strahlungs- und Konvektionsteil bestehender Rekuperator Die Erfindung
bezieht sich auf einen aus Strali-Jungs- und Konvektionsteil bestehenden Rekuperator,
bei dem das Heizgas zuerst mit geringer Geschwindigkeit in einem Schacht strömt,
an dessen Ende seine Strömungsrichtung umkehrt und anschließend den Konvektionsteil
in der Strömungsrichtung im Schacht entgegengesetzter Richtung durchströmt.
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Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rekuperator zu schaffen, der
unter Verwendung von Heizgasen mit einer Temperatur bis etwa 1200' C auch
bei wechselnder Belastung auf der Luftseite seine Standfestigkeit und somit Betriebssicherheit
behält. Außerdem werden ein hoher Wirkungsgrad und eine raumsparende Bauart des
Rekuperators gefordert.
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Stark wechselnden Belastungen sind diese Rekuperatoren beispielsweise
dann unterworfen, wenn sie in Walzwerksanlagen für die Erhitzung der Verbrennungsluft
von Tieföfen od. dgl. eingesetzt werden, weil zu dem Zeitpunkt, zu dem die Solltemperatur
für das Walzgut, die sogenannte Ziehtemperatur, erreicht ist, die Heizgas- und Luftmenge
des Ofens auf etwa 1011/o des Normalwertes herabgesetzt werden muß. In diesem Fall
sinkt die Wärmeübergangszahl der Luft entsprechend dem Gesetz des Wärmeübergangs
durch Konvektion auf den sechsten Teil der Wärmeübergangszahl im Normalzustand.
Die Wärmeübertragung der Heizgase hingegen, die im wesentlichen durch ultrarote
Gasstrahlung erfolgt, bleibt jedoch unverändert, da sie nicht von der Geschwindigkeit,
sondern nur von der Zusammensetzung, Schichtdicke und Temperatur des Gases abhängt.
Bei dem genannten Betriebszustand von 10 1/o Belastung ist aber die Temperatur
der eintretenden Heizgase besonders hoch, da dann der Ofen auf Maximaltemperatur
aufgeheizt ist.
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Wenn der Ofen in der beschriebenen Weise herabgeregelt wird, so ändern
sich die Wärmeübergangsverhältnisse aus bekannten Gründen derart, daß sich für den
den Strahlungsteil umschließenden Zylinder eine Wandtemperatur von etwa
1100' C ergibt, die zur schnellen Zerstörung des Rekuperators führen
würde, da bei dieser Temperatur auch die warmfesten austenitischen Chrom-Nickel-Stähle
erweichen und durch Oxydation und chemische Angriffe relativ schnell zerstört werden.
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Es ist bei einem Lufterhitzer bekannt, die zu erhitzende Luft im Strahlungsteil
im Gleichstrom und im Konvektionsteil im Gegenstrom zu den Heizgasen zu führen.
Zur Führung des Heizgases sind mehrere konzentrisch angeordnete Zylinder vorgesehen.
Die zu erhitzende Luft strömt durch Rohre, die sie in mehrfacher Umlenkung zunächst
durch den Strahltirigsteil und dann durch den Konvektionsteil leitet. Außer dem
erheblichen baulichen Aufwand ist bei dieser Konstruktion nachteilig, daß der Strahlungszylinder
an beiden Seiten von den Heizgasen umströmt wird, so daß er bei Verwendung von Heizgasen
bis 1200' C
nicht mehr die erforderliche Standfestigkeit haben, sondern nach
kurzer Zeit zerstört sein würde. Dieser Rekuperator erfüllt daher die Forderungen
der Anmeldung nicht.
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Uni den besonderen Anforderungen (Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse
unter Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrades und intensive schnelle Beheizung
der Luft bei raumsparender Anordnung der Heizflächen) Rechnung tragen zu können,
wird bei einem aus Strahlungs- und Konvektionsteil bestehenden Rekuperator, bei
dem das Heizgas zuerst mit geringer Geschwindigkeit in einem Schacht strömt, an
dessen Ende seine Strömungsrichtung umkehrt und anschließend den Konvektionsteil
in der Strömungsrichtung im Schacht entgegengesetzter Richtung durchströmt, gemäß
der Erfindung eine derartige Ausbildung vorgeschlagen, daß der Strörnungsraum der
Luft durch Heizflächen, die über ihre gesamte Länge als Strahlungsheizflächen wirken,
von dem im Schacht strömenden Heizgas getrennt ist, daß die Luft kalt an seinem
heißen Ende austritt, im Gleichstrom zum im Schacht strömenden Heizgas strömt und
von zur Schachtachse parallelen Rohren durchdrungen wird, durch die das Heizgas
nach Umkehr seiner Strömungsrichtung in Teilströme aufgeteilt einem ringförmigen
Sammler zugeführt wird.
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Dadurch wird bei äußerst raumsparender Anordnung der Heizflächen eine
intensive und schnelle Lufterhitzung und - indem die Kaltluft die Heizfläche
des Strahlungsteiles vom heißen Ende aus unmittelbar umströmt - eine ausreichende
Kühlung des heißen Rekuperatorteiles auch bei sehr hohen Heizgastemperaturen und
ungünstigen Betriebsbedingungen, z. B. bei Senkung der Heizgas- und Luftmenge auf
10 1/o
des Norrnalwertes, erreicht. Durch die günstige Anordnung
der Heizflächen behält der Rekuperator auch bei diesen sehr unterschiedlichen Betriebsverhältnissen
seinen hohen Wirkungsgrad.
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Eine besonders günstige Führung der Luft und des Heizgases und gute
Wärmeausnutzung bei raumsparender und baulich einfacher Anordnung der Heizflächen
wird erreicht, wenn gemäß der weiteren Erfindung die vom Heizgas durchströmten Rohre
in einem von zwei konzentrischen Hohlzylindern eingeschlossenen, den Strömungsraum
der Luft bildenden Ringraum angeordnet sind. Die durch den Ringraum geführte Luft
bestreicht dann gleichzeitig sowohl den vorwiegend der unmittelbaren Übertragung
der Strahlungswärme dienenden Innenzylinder, den sogenannten Strahlkörper, als auch
die der Wärmeübertragung durch Konvektion dienenden Rohrwände.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist für die Zuführung der
Luft am heißen Ende des Rekuperators ein Ringkanal vorgesehen '. in dem die
Luft in zwei Ströme geteilt wird. Sie umströmt dann den äußeren Zvlinder und tritt
an der gegenüberliegenden Seite in d#n durch den äußeren und inneren Zvlinder gebildeten
Ringraum ein. Damit wird der wesintliche Vorteil erzielt, daß der äußere Zvlindermantel
von beiden Seiten von der Luft umströmt und somit doppelt gekühlt wird. Ein weiterer
Vorteil des Ringkanals ist darin zu sehen, daß der Luft-Einlaßstutzen in gewissen
Grenzen versetzt gegenüber dem Einlaß in den Konvektionsteil angeordnet werden kann,
wodurch unter Umständen Montageerleichterungen möglich sind.
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Die den Ringkanal durchströmenden Teilströme werden dann nach einem
weiteren Erfindungsmerkmal wieder zusammengeführt, eine gewisse Strecke senkrecht
nach oben geleitet, wiederum geteilt und ebenfalls wieder zusammengeführt,
d. h. daß der Luftstrom, während er den von dem äußeren und dem inneren Zylinder
gebildeten Ringraum durchströmt, wiederÜolt geteilt wird und die'# Teilströme vor
der nächsten Teilung wieder zusammengeführt werden.
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Durch diese Führung der Luft wird erreicht, daß die Anzahl der von
der Luft quer umströmten Rohre nur halb so groß ist als wenn die Rohre alle hintereinander
schraubenförmig umströmt würden. Außerdem sind die für die Luft erforderlichen Querschnitte
nur halb so groß. Durch diese -I%Iaßnahmen wird erreicht, daß der Druckverlust der
Luft gegenüber dem Druckverlust bei der an sich naheliegenden schraubenförrnigen
Führung weniger als die Hälfte beträgt und deshalb eine hohe Geschwindigkeit mit
entsprechen hoher Wärmeübergangszahl gewählt werden kann.
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Für eine zweite Ausführungsart, die besonders für hohe Drücke bestimmt
ist, wird erfindungsgemäß noch eine derartige Ausbildung unter Wegfall des konzentrischen
Innenzylinders vorgeschlagen, daß der Strömungsraum der Luft durch Doppelrohre gebildet
wird, durch deren Ringräume die Luft in Teilströme aufgeteilt einem ringförmigen
Sammler zugeführt wird.
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Es werden hierbei gleichfalls eine äußerst raumsparende Anordnung
der Heizfläche, gute Kühlung des heißen Endes sowie günstige Führung der Luft und
des Heizgases erreicht; gute Standfestigkeit des Rekuperators gegenüber hohen Heizgastemperaturen
und ein hoher Grad der Wärmeausnutzung sind die Folge.
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Die Einzelheiten sind aus der Zeichnung zu ersehen, in der zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt sind. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt
eines Rekuperators mit zwischen einem inneren und einem äußeren Zylinder angeordneten
Rohren; Fig. 2 zeigt die Zylinder und Rohre im Querschnitt: Fig. 3 stellt
die Luftführung im Ringkanal 8 sowie im Raum 20 dar, der durch den inneren
und den äußeren Zylinder3, 12 gebildet wird; Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt eines
Rekuperators mit konzentrischen Doppelrohren; Fig. 5 zeigt die Anordnung
der Doppelrohre in einem Querschnitt des Rekuperators nach Fig. 4.
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Bei 1 treten die Heizgase in den Strahlungsrekuperator2 ein
und geben ihre Wärme überwiegend durch Strahlung an die Wand3 des Strahlungsrekuperators
ab. Oben tritt entsprechend den gestrichelten Pfeilen und von der Haube19 geführt
das Gas nach seiner Umlenkung in die RohreS des Konvektionsrekuperators ein und
verläßt bei 6 den Rekuperator. Die kalte Luft (Pfeil in ausgezogenen Linien)
tritt bei 7 in den Rekuperator ein, verteilt sich in dem Ringkanal
8 und tritt bei 9 in den Ringraum 20 um das Röhrenbündel ein, wobei
sie die Rohre5 in besonderer Weise umspült. Die Luft strömt also von unten nach
oben dem Feuergas entgegen, das die Rohre von oben nach unten durchzieht. Gleichzeitig
strömt die Luft gleichsinnig parallel dem Feuergas des Strahlungsrekuperators unmittelbar
an seiner zylindrischen Begrenzungswand 3, also im Gleichstrom mit diesem.
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Durch diese Schaltung wird erreicht. daß der Strahlungsrekuperator,
der am unteren Ende den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist, stark gekühlt wird,
da dem Gleichstromprinzip entsprechend die kalte Luft an der heißesten Stelle der
Heizfläche eintritt. Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Rekuperators hoch, weil die
Luft die Hauptheizfläche, die in den Rohren des Konvektionsteils untergebracht ist,
im Gegenstrom bestreicht. Bei 10 verläßt die Luft vorgewärmt den Rekuperator.
Ein weiterer, besonders wichtiger Vorzug der vorliegenden Erfindung ist der. daß
der Mantel 3 des Strahlungsteils gerade an seinem heißen Ende, wo die Feuergase
eintreten, seine Wärme nicht nur an die kalte Luft, sondern, was noch wirksamer
ist, durch Strahlung an die vergleichsweise kalten Rohre abgibt, denn am heißen
Ende des Strahlungsrekuperators sind die Rohre am kältesten, weil sie an dieser
Stelle das abgekühlte Abgas des Rekuperators führen. Mit 18 ist die Isolation
des äußeren Mantels 12 bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist die Luft entsprechend Fig. 3
geführt,
d. h.. sie teilt sich beim Eintritt in zwei Zweige a und b, von denen
einer links und der andere rechts den Zylinder und die davor angeordneten Rohre
beströmt, sich hinten vereinigt, durch die unterste Leitplatte 11 (in Fig.
1) geführt und durch deren Öff-
nung ein Stück c senkrecht nach oben
strömt, dann sich wieder in die beiden Zweige d und e teilt, zu
f
vereinigt nach oben geht usw.
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Der Ringkanal 8 in Fig. 1 ist nicht unbedingt nötig,
da es selbstverständlich möglich ist, die Luft direkt aus dem Stutzen
7 in den von den Rohren gebildeten Ringraum zwischen den beiden Zylindern
einzuführen und in der obengenannten Weise in zwei Arme zu teilen. Erfindungsgemäß
wird aber der Ringkanal 8, bestehend aus den Zylindermänteln 12 und
13, angeordnet, wodurch folgende Wirkung entsteht: Das Mantelblech 12 ist
auf beiden Seiten entsprechend der Höhe des Ringkanals 8 von Luft umstrÖrnt
und bildet infolgedessen einen durch Konvektion doppelt gekühlten Zylinder, der
nunmehr von dem inneren Zylinder 3 des Strahlungsrekuperators, der an dieser
Stelle
seine Höchsttemperatur hat, durch die im Ringraum angeordneten Rohre hindurch angestrahlt
wird. Eine weitere Strahlungsaufnahme erfolgt durch das Mantelblech 13, das
als sekundäre Hei zfläche wirkt und die durch Strahlung empfangene Wärme durch Konvektion
an die sie bespülende kalte Luft abgibt.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß die obere Grundplatte4, in welche die
Rohre eingeschweißt sind, und an der sie hängen, gegenüber den üblichen Konstruktionen
besonders schmal und damit gering beansprucht ist. Infolgedessen kann auf eine besondere
Kühlung dieser Platte verzichtet werden, und es genügt, sie aus austenitischern
Chrom-'.\Tickel-Stahl auszuführen.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird - was
besonders bei hohen Drücken notwendig ist - der oben geschilderte Strahlungs-
und Konvektionsteil statt aus zwei konzentrischen Zylindern aus konzentrischen Doppelrohren
3 a und 5 gebildet, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt.
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Das Heizgas tritt bei dieser Bauart bei 1 in den Strahlungsraum
2, an dessen Peripherie Doppelrohre3a und 5 auf konzentrischen Kreisen angeordnet
sind. Bei 27 tritt das Heizgas in den Abgassammelraum 28 ein und verläßt
bei 6 den Rekuperator. Die Kaltluft tritt durch den Stutzen 7 in den
Ringraum 8
ein, geht durch die Öffnung9 und umströmt die das Abgas führenden
Innenrohre5, geht bei 25a in die Ringräume25 zwischen Innenrohren5 und Außenrohren
3 a über und strömt mit hoher Geschwindigkeit zum oberen Sammelraum
29, um bei 10 den Rekuperator als Heißluft zu verlassen.
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Der neue Rekuperator erreicht trotz seiner einfachen Ausführung Wirkungsgrade,
die wesentlich über die bisherigen Leistungen hinausgehen. Bei der Ausführung nach
Fig. 1 läßt sich ein Temperaturabfall des Abgases von 1200 bis etwa 400'
C herunter bei gleichzeitiger Erwärmung der Luft von Außentemperatur bis
etwa 900' C err eichen, wozu der Umstand wesentlich beiträgt, daß die Luft
im Gegenstrom zum abziehenden Gas geführt ist und den Rekuperator an der Stelle
verläßt, wo das aus dem Strahlungsraum soeben in die Rohre 5 eingeströmte
Heizgas noch eine genügend hohe Temperatur aufweist. Das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten
des Abgases im Strahlungs- zum Konvektionsteil beträgt mindestens 1:51 besser
noch 1: 10 und mehr. Die Luftgeschwindigkeit kann etwa in der Größenordnung
der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Konvektionsteil entsprechen oder etwas
über diesem Wert liegen.
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Bei einem zum Stand der Technik gehörenden relativ kleinen Rekuperator
für einen Durchstoßofen geringer Kapazität beströmt die Luft zwar gleichzeitig die
sowohl vorwiegend der Übertragung der Strahlungswärtne als auch die der Wärmeübertragung,
durch Konvektion dienenden Trennwände, jedoch wird die Luft am kalten Ende in den
Erhitzer eingeführt, so daß in dem Bereich des beidseitig von Heizgasen umströmten
Strahlungszylinders, insbesondere dessen heißesten Teiles, nicht die Kaltluft, sondern
die bereits erheblich vorgewärmte Luft geführt wird. Außerdem beströmt die Luft
nicht unmittelbar den Strahlungszylinder, der bei diesem kleinen Rekuperator sehr
kurz gehalten ist und darum aus keramischem Material sein kann, so daß trotz dieser
mangelhaften Kühlung auch Heizgase über 1000' C verwendet werden können.
Der wesentlichste Unterschied dieses Rekuperators gegenüber dem erfindungsgemä-Ben
ist jedoch, daß die Luft den bekannten Rekuperator dort verläßt, wo auch die Abgase
das Rekuperatorsystem verlassen. Die Heißlufttemperatur kann also niemals höher
sein als die der abziehenden Abgase. Folglich ist die Wärmeausnutzung eines solchen
Rekuperators bei weitem geringer als bei einem Rekuperator gemäß der Erfindung,
mit dem Heißlufttemperaturen bis dicht an die Temperatur der den Strahlungszylinder
verlassenden Feuergase erreicht werden können, wenn die Heizfläche des Konvektionsteils
entsprechend groß bemessen ist.
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Bezüglich des zweiten Ausführungsbeispieles (Fig. 4 und
5) wird zum Stand der Technik hinzugefügt, daß es bei Rekuperatoren bekannt
ist, die am heißen Ende in einer Ringkammer eingeleitete Luft durch konzentrische
Doppelrohre zu leiten, durch deren Innenrohre die Heizgase im Gegenstrom zur Luft
zu einer mit Auslässen versehenen Ringkammer am anderen Rekuperatorende geführt
werden.
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Nach der Verbrennung der Gase in einem von einer Mauer umgebenen Schachtraum
gelangen die Heizgase bei diesem Rekuperator in eine ringartige, die Schachtmauer
am kalten Rekuperatorende umgebende Kammer, in welche die Innenrohre münden und
die Heizgase zu einer Ringkaminer am heißen Ende füh-
ren, die mit einem Auslaß
versehen ist. Die Schachtmauer und eine diese Mauer mit Abstand umgebende Wand behindern
außerordentlich die Aufnahme von Strahlungswärme durch die von Luft durchströmten
Außenrohre. Es handelt sich also hier nur um reine Konvektionsheizflächen. Die Voraussetzung
für einen hohen Wirkungsgrad des Rekuperators bei raumsparender Anordnung der Heizflächen
ist somit bei einem solchen Rekuperator nicht gegeben, der außerdem einen viel größeren
baulichen Aufwand aufweist als der gemäß der Erfindung.
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In der vorliegenden Beschreibung sind die beiden Medien Heiz- bzw.
Abgas und Luft als Prototypen für das wärmeabgebende und für das wärrneaufnehmende
gasförmige Mittel anzusehen.