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Wärmetauscher zum Erhitzen von Gasen Die Erfindung betrifft einen
Wärmetauscher für Gase hoher Temperatur mit Wärmeaustauscherrohr aus Metall und
einem davon unabhängig in dessen Innerm aufgebauten hochfeuerfesten Innenrohr, das
das Wärmeaustauscherrohr aus Metall vor Überhitze schützt, andererseits aber hohe
Abgastemperaturen voll für den Wärmeübergang auszunutzen gestattet. Bei den üblichen
Wärmetauschern aus Metall müssen überheiße Abgase vor Eintritt abgekühlt oder mit
kalten Gasen vermischt werden, so daß die günstigte Temperaturspanne bzw. ein großer
Teil der Abgaswärme nicht ausgenutzt wird für Wärmerückgewinnung.
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Die bisher bekannten Lösungen erschöpfen sich darin, die Metallwand
zu schützen durch eine unmittelbar aufliegende keramische Schicht hinreichender
Dicke, so daß an der Grenze Metall-Feuerfest die zulässige Höchsttemperatur nicht
überschritten wird. Alle Wärmetauscher dieser Art haben aber den Nachteil, daß an
jeder undichten Fuge oder bei sonstigen Schäden der keramischen Schutzschicht die
Metallwand an dieser Stelle gefährdet, ja, besonders schnell zerstört wird. Durch
die verschiedene Wärmedehnung von Keramik und Metall entstehen nicht nur solche
Schäden, sondern es bilden sich zwischen beiden Stoffen auch dünne wärmedämmende
Luftschichten, die den Wärmeübergang unberechenbar behindern.
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Die Anwendung keramischer Körper und Wände als Hilfsheizflächen ist
bekannt auch in zylindrischen Wärmetauschern, aber immer berühren die heißen Abgase
mindestens zu einem erheblichen Teile die Metallwände unmittelbar, und so ist auch
diese bekannte Art den gleichen einschränkenden Bedingungen unterworfen, wie es
die üblichen Metall-Wärmetauscher sind.
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Bei Dampfkesselfeuerungen sind der vorliegenden Erfindung äußerlich
ähnliche Anordnungen feuerfester Zwischenwände bekannt, die allzu schnelle Abkühlung
der noch nicht ausgebrannten Flamme und damit unnötige Rauchentwicklung verhindern
sollen, jedoch nicht dem Wärmeschutz der durch Wasserfüllung geschützten Metallwand.
Im vorliegenden Falle der Gas-(Luft-)Erhitzung sollen aber nicht Flammentemperaturen
aufrechterhalten, sondern es sollen gegenteilig die hohen Abgastemperaturen ausgenutzt
werden durch tunlichst schnelle Wärmeabgabe.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Wärmetauscher zum Erhitzen
von Gasen, bestehend aus einem innen vom wärmeabgebenden Gas durchströmten und außen
vom wärmeaufnehmenden Gas berührten Wärmeaustauscherrohr aus Metall, in dem im wesentlich
achsgleich ein als sekundäre Heizfläche dienendes Innenrohr mit kleinerem Außendurchmesser
als der Innendurchmesser des Wärmeaustauscherrohres angeordnet ist, so auszubilden,
daß der ringförmige Querschnitt des Zwischenraumes zwischen dem Wärmeaustauschrohr
und dem Innenrohr an der Eintrittseite des wärmeabgebenden Gases geschlossen ist,
um das Wärmeaustauschrohr an der Eintrittseite vor Überhitzung zu schützen. - Abgase
aus Hochtemperaturöfen mit über 1000° C können unmittelbar in diesen Wärmetauscher
geleitet werden, wo ihr Wärmeinhalt ausgenutzt wird ohne Gefährdung der Metallteile,
da das Innenrohr die Temperatur wandelt und auf das für Metall Zulässige niederspannt.
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Der Abstand zwischen dem keramischen Innenrohr und dem Wärmeaustauscherrohr
soll auf jeden Fall mindestens einige Zentimeter betragen, damit beide Wände, die
aus so verschiedenen Stoffen bestehen und so unterschiedlichen Wärmeeinflüssen ausgesetzt
sind, sich unabhängig voneinander bewegen können. Schon ein geringer Abstand macht
außerdem den Einfluß undichter Fugen und Durchlöcherungen des keramischen Innenrohres
unschädlich, und auf der Metallwand können keine Brennflecken entstehen, weil die
Zwischenatmosphäre die Wirkung eventuell austretender Heißgasstrahlen mildert. Der
auch bei Undichtigkeiten praktisch zureichende Abschluß der überheißen Abgase an
der Eintrittseite verhindert jede Korrosion der Metallwand durch schädliche Gase,
starke Abgasströme entlang der Oberfläche oder Flugaschenniederschlag.
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Der Durchgangswiderstand für die Abgase ist durch die Weiträumigkeit
dieser Bauart gering, so daß für ihren Betrieb der natürliche Auftrieb oder der
Zug eines angeschlossenen Schornsteins bei einer Bauart mit aufsteigenden Abgasen
voll ausreichen und für Beschaffung und Betrieb teuren Saugzugventilatoren der Wärmetauscher
mit engen Metallröhren entfallen.
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Da mit solchem Wärmetauscher die höchstzulässige Wärmebeaufschlagung
je Flächeneinheit über die ganze Metallwand erreicht werden kann, ist er der kleinstmögliche
für eine bestimmte Leistung und
schon deshalb auch der billigste.
Im Falle des einräumigen weiten Zylinders ist er notfalls einfach an Ort und Stelle
instand zu setzen, weil er innen zugänglich ist.
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Der Anwendungsbereich des metallischen Wärmetauschers wird durch die
-vorliegende Erfindung erweitert auf Ofenbauten, bei denen der keramische Hochtemperatur-Wärmetauscher
wegen zu hoher Gewichte oder Sperrigkeit schwierig anzuordnen ist. Der neue Wärmetauscher
ist auch besonders geeignet für Einbau in schon bestehende Anlagen, um diese auf
höheren Wirkungsgrad zu bringen. Es wird außerdem ein besonderes Anwendungsgebiet
finden für Erhitzung zersetzlicher Gase oder als Reaktor zur genauen Bemessung der
@,#'ärmezufuhr beispielsweise bei endothermen Gasreaktionen, also immer, wenn genaue
Einhaltung gewisser Grenztemperaturen erforderlich ist.
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Der Abgasstrom kann gebremst werden, falls dies günstig ist für bessere
Ausnutzung seines Wärme- . inhaltes. Ein Teil der Heizgase kann austreten in den
Raum zwischen keramischem Innenrohr und Wärmeaustauscherrohr für unmittelbare Wärmeabgabe
an die Metallfläche, wobei durch geeignete Größe, Verteilung und Richtung sowie
durch genügenden Ab- ; stand beider Wände das zulässige Maß der Wärmebeaufschlagung
der :Metallwand eingehalten wird. Diese Maßnahme ist vorzugsweise für die Zone_verininderter
Abgastemperatur anzuwenden, um das Höchstmaß der Wärmeübertragung aufrechtzuerhalten.
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Bei geringer anfänglicher Abgaswärme können durch Nachheizung oder
durch Nachverbrennung unt-ollhenimen verbrannter Abgase die Verhältnisse des spezifischen
Wärmeüberganges, insbesondere bei begrenzter Heizfläche, verbessert werden. So kann
der Wärmetauscher auch verwendet werden zur Erzeugung von Heißluft oder von Luft
Abgas-Gemischen bestimmter Temperaturen, wie sie beispielsweise in neuzeitlichen
Schnelltrockenöfen gebraucht werden. Es können auch Mittel, die der Vergrößerung
der wärmeabgehenden Oberfläche und/oder der Verbesserung der Abstrahlung des keramischen
Innenrohres dienen, angewendet werden. Durch geeignete Wahl der stofflichen Eigenschaften
und der Dicke des keramischen Innenrohres erreicht man, daß die Wärmebeaufschlagung
des Wärmeaustauscherrohres aus Metall praktisch über deren ganze Ausdehnung gleichmäßig
auf dem Höchstbetrag gehalten werden kann, besonders bei konzentrischer Anordnung
einer einzigen Einheit. Dabei wird die spezifische Abstrahlung einer Flächeneinheit
des keramischen Innenrohres im Maße des Abstandes auf eine größere Metallfläche
verteilt, und mittels des Abstandes kann deren spezifische Wärmebeaufschlagung eingestellt
werden, indem beispielsweise eine oder beide Zylinderflächen konisch ; gestaltet
oder der Durchmesser des keramischen Innenrohres zonenweise verändert wird.
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Es können auch andere als kreisförmige Querschnitte gebraucht werden.
Durch Unterteilung der Gas- und Luftwege kann der Wärmetauscher besonderen Verhältnissen
angepaßt werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. In Abb. 1 und 2 "wird eine besonders günstige Ausbildungsform im Längs-
und Querschnitt gezeigt, bei aufsteigenden Abgasen. Der Weg der heißen Abgase ist
gekennzeichnet durch 1, 2, 3, 5, 6. Dabei ist angenommen ihr Eintritt 1 aus einem
Ofenraum 7 durch eine Ofenwand oder -decke8 unmittelbar in den senkrecht darüber
befindlichen hochfeuerfesten keramischen Hohlkörper, dessen von den überheißen Abgasen
durchströmter Innenraum mit 20 bezeichnet ist. Der keramische Hohlkörper hat mehrere
Abschnitte, die wie 14 und 15 sich durch Wandstärke und Art und Wärmeleitung des
Baustoffes unterscheiden. Die Wärmeabgabe kann verstärkt werden durch unmittelbare
Berührung der Heizgase mit dem Metallmantel durch schräg nach oben gerichtete Düsenöffnungen
22 oder - gegen Ende des keramischen Rohres - durch Öffnungen in der Rohrwandung.
Zweckmäßig versperrt eine durchlöcherte Platte 18 aus geeignetem Stoff den Innenraum
20 so weit, daß die heißen Gase ihn nicht zu schnell durchströmen. In gleicher Weise
läßt sich der Zwischenraum 37 am Austritt abschirmen. Die Düsenöffnungen 22 und
Gitteröffnungen 17 wird man so anordnen, daß die zur Metallwand ausströmenden Gasteile
ihre Haupthitze bereits abgaben in den Zonen 14 und 15 und in den Zonen 16 und 17
die Temperatur der Metallwand25 auf den gewünschten Wert bringen.
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Die aufzuheizenden Gase oder die Kaltluft treten ein in einen Ringkanal
10 am oberen Ende des Wärmetauschers, der wirksam ist in seiner mit dem Pfeil 38
bezeichneten Höhe. Die Luft wird mit bekannten 'Mitteln, beispielsweise gewendelt
absteigend, durch den Zylinderraum 11 geführt, der von der Metallwand 25 und einer
beliebigen Wand 26 begrenzt und mit einem Wärmeschutzmantel 27 umgeben ist. In 36
sind Hilfsheizflächen angedeutet, die in 11 zur besseren Erwärmung der Luft beliebig
eingebaut sein können. Bei 35 sind bekannte Ausdehnungsglieder gezeichnet, um die
Ausdehnung der Mäntel 25 und 26 voneinander unabhängig zu halten. Die vorgewärmte
Luft sammelt sich im Ringkanal 12 und wird durch den Austritt 13 auf kürzestem Wege
zum Brenner (nicht gezeichnet) geleitet. Der Metallzylinder 25 kann z. B. ringförmig
aufgehängt werden auf einem Gestell 28, sein unteres Ende kann zwecks guter Dichtung
frei in einer Sandrinne 19 stecken.
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Den Raum 20 wird man so bemessen, daß sich die Abgase bis zum Eintritt
in den Abschlußraum 42 so weit abgekühlt haben, daß sie unschädlich sind für die
Metallwand und daß ihr Wärmeinhalt auch mit Unterstützung der durch 22 und 17 austretenden
Abgasteile bestmöglich ausgenutzt wurden. Die restliche Abgaswärme kann dann in
bekannter Weise durch einen Röhrenwärmetauscher übertragen werden oder, wie in Abb.
1 als Beispiel gezeigt, mit Hilfe einer Rückführung durch ein Trichterrohr 4 und
einer Luftumwälzung, die durch 29 über die Achse30 durch einen Propeller 31 angetrieben
und gegen die Abschlußplatte 18 geführt wird. So kann man auch bei verhältnismäßig
kleinen Heizflächen durch hohe Wärmeübergangszahlen zu hoher Leistung kommen. Im
allgemeinen wird vor dem weiteren Abgasweg über 5 und 6 in den Schornstein 9 gedrosselt
werden müssen. Für gewisse Fälle ist in Abb. 1 auch vorgesehen, daß an der Achse
30 ein Förderflügel 32 zur Beschleunigung der Abgase im Kamin angebracht
werden kann.
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In Abb.2 sind drei Querschnitte für verschiedene Zonen wiedergegeben,
bezeichnet mit A, B und C. In A ist dabei zusätzlich gezeichnet ein Schamottekern
31 mit geriefter Oberfläche, der als Hilfsheizkörper im Raum 20 dienen kann, in
B ist die äußere Oberfläche des keramischen Körpers 23 gerieft. In C sind die Durchbrechungen
oder düsenartigen Kanäle22 mit tangentialer Austrittsrichtung gezeichnet, um jede
lokale Überhitzung beim Auftreffen auf die Metallwand zu vermeiden.
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Abb.3 zeigt die Möglichkeit, daß mehrere Schamottekörper 43 mehrere
Hohlräume 20 umschließen.
Der Raum mit ruhenden Gasen 37 umgibt
diese Heizkörper, welche ihre Wärme abstrahlen auf die Blechwand 25, die zusammen
mit dem Außenmantel 26 den Luftraum 11 umschließt. 27 ist wieder eine Isolation
des Luftraumes. .
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Abb. 4 zeigt eine andere Möglichkeit, mit nur konzentrischen Zylinderräumen
den Heizraum 20 zwischen zwei Schamottewänden 44 und 45 einzuschließen und die Heizwirkung
sowohl nach dem Innern auf den Zylinder 46, wie nach außen auf den Zylinder 25 zu
übertragen. Die aufzuheizende Luft wird einerseits durch den Zylinderraum 47 geführt,
andererseits, wie bisher, zwischen den beiden Zylindermänteln 25 und 26 im Raum
11. Die Räume 11 und 47 können Bleich-oder hintereinander- und in Gleich- oder Gegenstrom
zur Abgasführung geschaltet sein. Mit 37 sind wieder die beiden stillen Abgasräume
gekennzeichnet.
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In Abb. 5 ist in Anschluß an Abb. 3 in einem Teilausschnitt skizziert,
wie eine Mehrzahl keramischer Heizkörper 43 die Abgasführungen 20 umschließen, sich
in Abständen 37 von den metallischen Luftzuführungen 48 befinden und diese durch
Strahlungsübertragung aufheizen. Auch hier können zur besseren Wärmeübertragung
Hilfsheizkörper 36 in die Luftwege eingebaut werden. Die Luft kann in metallumkleideten
Zügen zwischen den keramischen Strahlrohren beliebig in einem oder mehreren Zügen
im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom geführt werden, d. h., 48 kann beispielsweise
auch als Röhrensystem ausgebildet werden.