DE1108372B

DE1108372B - Cooling device for thermally highly stressed walls

Info

Publication number: DE1108372B
Application number: DEC15668A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Josef Cermak
Original assignee: JOSEF CERMAK DR ING
Current assignee: JOSEF CERMAK DR ING
Priority date: 1956-11-01
Filing date: 1957-10-21
Publication date: 1961-06-08

Description

Kühlungseinrichtung für thermisch hochbeanspruchte Wände Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung thermisch hochbeanspruchter Wände, bestehend aus einer mit der zu kühlenden Wand verbundenen Kühlkammer, welche einen Zu- und Abfluß für das Kühlmittel und eine parallel zu der zu kühlenden Wand verlaufende Zwischenwand aufweist, durch welche die Kühlkammer in zwei getrennte, jedoch durch einen Überleitungskanal verbundene Räume, in den Kühlmittelzufluß- und den Kühlmittelabflußraum, unterteilt ist.Cooling device for walls subject to high thermal loads The invention refers to a device for cooling walls with high thermal loads, consisting of a cooling chamber connected to the wall to be cooled, which has a Inflow and outflow for the coolant and a parallel to the wall to be cooled Has intermediate wall, through which the cooling chamber in two separate, but through spaces connected by a transfer channel into the coolant inflow and coolant outflow space, is divided.

Bei bekannten Einrichtungen bilden der Zuflußraum und der Abflußraum einen U-förmigen Kanal, dem das Kühlmittel am Ende des einen Schenkels zugeführt wird und aus dem es am Ende des anderen Schenkels wieder austritt. Der Kühlmittelzuflußraum liegt unmittelbar an der zu kühlenden Wand und der Abflußraum auf der dieser Wand abgekehrten Seite des Zuflußraumes. Das Kühlmittel strömt in dem Zuflußraum parallel zu der zu kühlenden Wand, ebenso im Abflußraum, hier jedoch in entgegengesetzter Richtung. Die Kühlwirkung ist dabei nicht an allen Stellen der zu kühlenden Fläche gleich. Sie ist am stärksten dort, wo das Kühlmittel in den Zuflußraum der Kammer eintritt, und nimmt verhältnismäßig rasch nach dem Ende dieses Raumes zu ab, wo das Kühlmittel in den Abflußraum übergeführt wird. Auf dem verhältnismäßig langem Wege, den das Kühlmittel durch die Kammer hindurch zurücklegt, bilden sich außerdem Grenzschichten, welche eine effektive Kühlung stark beeinträchtigen. Aus diesen Gründen müssen verhältnismäßig hohe Strömungsgeschwindigkeiten gewählt werden.In known devices, the inflow space and the outflow space form a U-shaped channel to which the coolant is fed at the end of one leg and from which it emerges again at the end of the other leg. The coolant inflow space lies directly on the wall to be cooled and the drain space on this wall opposite side of the inflow area. The coolant flows in parallel in the inflow space to the wall to be cooled, also in the drain space, but here in the opposite direction Direction. The cooling effect is not at all points of the surface to be cooled same. It is strongest where the coolant enters the chamber's inflow space enters, and decreases relatively quickly after the end of this room, where the coolant is transferred into the drain space. On the relatively long Paths that the coolant travels through the chamber are also formed Boundary layers, which severely impair effective cooling. From these For this reason, relatively high flow velocities must be selected.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform sind die beiden Räume, in welche die Kühlkammer unterteilt wird, völlig voneinander getrennt. Das dem Raum, welcher der zu kühlenden Fläche zugekehrt ist, am einen Ende durch ein Rohr zugeführte Kühlmittel wird am anderen Ende wieder unmittelbar durch ein anderes Rohr abgeführt. Der von der zu kühlenden Fläche abgekehrte Raum der Kühlkammer wird von anderem Kühlwasser durchflossen, welches am einen Ende der Kammer zugeführt wird und am anderen Ende abfließt. Dieser Raum ist wesentlich größer ausgebildet als der Raum, welcher der Hitzequelle zugekehrt ist. Er enthält außerdem ablenkende Zwischenwände, damit das den zweiten Raum durchfließende Kühlwasser einen besonders langen Weg zurücklegen muß. Dieses Wasser dient zur Kühlung der Wände des der Hitzequelle zugekehrten Raumes, also nur indirekt zur Kühlung der erhitzten Wand. Auch bei dieser Ausführung ist die Kühlung der der Hitzequelle zugekehrten Fläche auf der Strecke, auf welcher sie auf deren Rückseite vom Kühlwasser bestrichen wird, an verschiedenen Stellen des Kühlwasserweges verschieden. Es bilden sich auch hier die Kühlung beeinträchtigende Grenzschichten.In another known embodiment, the two spaces into which the cooling chamber is divided, completely separated from each other. That of the room which faces the surface to be cooled is fed through a pipe at one end At the other end, coolant is discharged directly through another pipe. The space of the cooling chamber facing away from the surface to be cooled is used by others Cooling water flowed through, which is fed at one end of the chamber and at the other end drains. This room is much larger than the room which is facing the heat source. It also contains distracting partitions, so that the cooling water flowing through the second room has a particularly long way must cover. This water is used to cool the walls of the one facing the heat source Room, so only indirectly to cool the heated wall. Even with this version is the cooling of the surface facing the heat source on the route on which it is coated on the back of the cooling water, in different places of the cooling water path different. Here, too, the cooling is formed which is detrimental to cooling Boundary layers.

Die Erfindung bezweckt, die Kühlwirkung von Einrichtungen dieser Art ganz bedeutend zu erhöhen. Sie geht von der zuerst beschriebenen Kühleinrichtung aus, bei der der Kühlmittelraum durch eine mit überleitungskanal versehene Zwischenwand in zwei Kammern unterteilt ist. Das Neue besteht darin, das der Zufluß des Kühlmittels aus dem Kühlmittelzuflußraum in den die zu kühlende Wand enthaltenden Kühlmittelabflußraum hinein durch mehrere in der Zwischenwand senkrecht zu ihr angeordnete Düsen erfolgt, deren Mundstück knapp oberhalb der zu kühlenden Wand liegt. Bei dieser Anordnung treffen auf die den Kühlmittelabflußraum begrenzende zu kühlende Fläche eine größere Anzahl von Kühlmittelstrahlen auf. Bei dichter Anordnung der Düsen nebeneinander wird der auf die zu kühlende Fläche auftreffende Strahl derart abgelenkt, daß das Kühlmittel sofort wieder entgegengesetzt zur Zufuhrrichtung nach dem Austritt aus dem Kühlmittelabflußraum strömt. Die Kühlung der der Hitzequelle ausgesetzten Fläche ist infolgedessen sehr intensiv. Grenzschichten können sich nicht bilden. Gegenüber den geschilderten bekannten Einrichtungen wird die spezifische Kühlwirkung vervielfacht. Infolge der intensiven Kühlung braucht die zu kühlende Fläche an der der Hitzequelle zugekehrten Außenseite nicht mit feuerfestem Material bekleidet zu werden. Man kann diese Fläche sogar aus wesentlich dünnerem Blech herstellen, als es bei den bekannten Ausführungen möglich war.The invention aims to improve the cooling effect of devices of this type to increase quite significantly. It starts from the cooling device described first in which the coolant space is provided with an intermediate wall provided with a transfer channel is divided into two chambers. The new thing is that the coolant flows in from the coolant inflow space into the coolant outflow space containing the wall to be cooled takes place through several nozzles arranged in the partition wall perpendicular to it, whose mouthpiece is just above the wall to be cooled. With this arrangement meet a larger surface to be cooled that delimits the coolant discharge space Number of coolant jets. When the nozzles are arranged close to one another the beam striking the surface to be cooled is deflected in such a way that the Coolant immediately in the opposite direction to the direction of supply after exiting the coolant drainage chamber flows. The cooling of those exposed to the heat source area is therefore very intense. Boundary layers cannot form. Opposite to the known devices described, the specific cooling effect is multiplied. As a result of the intensive cooling, the surface to be cooled needs the heat source facing outside not to be clad with fireproof material. One can even make this surface from much thinner sheet metal than the known ones Executions was possible.

In besonderen Fällen empfiehlt es sich, die der Hitzequelle zugekehrte Wand des Kühlmittelabflußraumes der Kühlkammer mit Taschen zu versehen, in die je eine der Düsen hineinragt.In special cases it is advisable to turn the one facing the heat source Wall of the coolant discharge space of the cooling chamber to be provided with pockets in each one of the nozzles protrudes.

Durch diese Taschen wird eine Vermischung der aus den Düsen austretenden Kühlmittelstrahlen verhütet und größere Gewähr dafür geschaffen, daß das in einem Strahl zugeführte Kühlmittel von der zu kühlenden Fläche sofort wieder abgeleitet und dem Abfluß zugeführt wird. Um hierbei die glatte Form der der Hitzequelle zugekehrten Wandfläche aufrechtzuerhalten, kann diese mit feuerfestem Material bekleidet sein, wobei die Räume zwischen den Wänden der Taschen ausgefüllt werden.Through these pockets there is a mixing of those emerging from the nozzles Prevented coolant jets and created greater guarantee that the in one The coolant supplied to the jet is immediately diverted from the surface to be cooled and fed to the drain. In order to achieve the smooth shape of the one facing the heat source To maintain the wall surface, it can be clad with fireproof material, filling the spaces between the walls of the pockets.

Die Zeichnung stellt beispiesweise zwei Schnitte durch Kühlelemente vereinfacht dar, welche nach dem Prinzip der Erfindung arbeiten. In Fig. 1 und 1' ist eine einfache Anordnung mit einer glatten gekühlten Wand im Querschnitt an zwei verschiedenen Stellen veranschaulicht, während Fig. 2 im Schnitt und Fig. 3 in Draufsicht eine Kombination mit Kühltaschen in der Wand zeigt.The drawing shows two sections through cooling elements simplified, which work on the principle of the invention. In Fig. 1 and 1 ' is a simple arrangement with a smooth cooled wall in cross-section at two illustrates various points, while Fig. 2 in section and Fig. 3 in plan view shows a combination with cooling bags in the wall.

Die Wand 1 (Fig. 1), welche den Verbrennungs-oder anderen hochthermischen Raum begrenzt, ist in einzelne Kühlelemente unterteilt. Jedes Element hat eine selbständige Zu- und Ableitung für das Kühlmittel, im dargestellten Beispiel die Zuleitung 2 und die Ableitung 3. Dieses wirkt auf die zu kühlende Wand 1 durch einige konzentrierte Ströme, welche aus Düsen 5 ausfließen. Die Düsen 5 sind an einem Zuflußraum 4 des Kühlmittels angeschlossen. Das Kühlmittel, welches mit einer verhältnismäßig bedeutenden Geschwindigkeit ungefähr senkrecht auf die zu kühlende Wand 1 stößt, wird in einem Kühmittelabflußraum 6 gesammelt und durch die Ableitung 3 aus dem Element abgeleitet.The wall 1 (Fig. 1), which the combustion or other high thermal Limited space, is divided into individual cooling elements. Each element has an independent Inlet and outlet for the coolant, in the example shown the inlet 2 and the derivative 3. This acts on the wall 1 to be cooled by some concentrated Currents flowing out of nozzles 5. The nozzles 5 are at an inflow chamber 4 of the Coolant connected. The coolant, which with a relatively significant Speed hits the wall 1 to be cooled approximately perpendicularly, in one Collected coolant discharge space 6 and discharged through the discharge line 3 from the element.

Durch den Anschlag des Stromes auf die Wand wird die Wirkung der Grenzschicht ausgeschieden bzw. kann bloß eine dünne Grenzschicht zur Ausbildung gelangen. Das erwärmte Kühlmittel wird sogleich gesammelt und aus dem Kühlelement abgeleitet. Das Kühlmittel strömt mit einer hohen Geschwindigkeit bloß in den Düsen, in den übrigen Teilen des Elementes fließt es durch verhältnismäßig große Querschnitte und daher mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit und mit einem geringen Druckverlust. An den Stellen, wo die metallische, der Hitzequelle zugekehrte Wand hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wird sie aus einem feuerfesten metallischen Material hergestellt.The impact of the boundary layer becomes due to the impact of the current on the wall precipitated or only a thin boundary layer can develop. That heated coolant is immediately collected and discharged from the cooling element. The coolant flows at a high speed only in the nozzles, in the other parts of the element it flows through relatively large cross-sections and therefore at a relatively slow speed and at a low speed Pressure drop. In the places where the metallic wall facing the heat source exposed to high temperatures, it is made of a refractory metallic material manufactured.

In Fig. 2 ist die metallische Trennwand 1 des Verbrennungs- oder anderen thermisch hoch beanspruchten Raumes zum Unterschied von der früheren Ausführung mit zylindrischen Kühltaschen 7 versehen, welche an der Innenseite der Wand 1 Vorsprünge bilden. Die Kühltaschen 7 sind abermals an den Stellen hoher Temperaturen aus einem feuerfesten metallischen Material hergestellt; die Kühltaschen 7 sind mit einer feuerfesten thermisch isolierenden Masse 8 verkleidet. Die an den Kühlmittelzuflußraum 4 angeschlossenen Düsen 5 ragen in die Kühltaschen 7 hinein. Das ausströmende Kühlmittel stößt in ähnlicher Weise wie bei dem ersten Beispiel mit einer verhältnismäßig bedeutenden Geschwindigkeit auf dem Boden der Kühltasche 7. Das erwärmte Kühlmittel strömt sogleich aus der Kühltasche 7 hinaus in den Kühlmittelabflußraum, von wo es durch den Ausfluß 3 zur beliebigen weiteren Verwendung abgeleitet wird.In Fig. 2, the metallic partition 1 is of the combustion or other thermally highly stressed room in contrast to the previous version provided with cylindrical cooling pockets 7, which on the inside of the wall 1 protrusions form. The cooling bags 7 are again made of one at the points of high temperatures made of refractory metallic material; the cooling bags 7 are with a refractory thermally insulating mass 8 clad. The one to the coolant inflow space 4 connected nozzles 5 protrude into the cooling pockets 7. The escaping coolant comes across in a manner similar to the first example with a relatively significant one Speed on the bottom of the cooler bag 7. The heated coolant flows immediately from the cooling pocket 7 out into the coolant drain space, from where it flows through the outflow 3 is derived for any further use.

Dadurch, daß der Zuflußraum 4 des frischen Kühlmittels so angeordnet ist, daß der Abflußraum 6 für das erwärmte Kühlmittel zwischen dem Zuflußraum und der zu kühlenden Wand liegt, wird in einfacher Weise erzielt, daß die thermischen Verluste nach außen auch bei unisoherter äußerer Oberfläche klein sind.In that the inflow space 4 of the fresh coolant is arranged in this way is that the drain space 6 for the heated coolant between the inflow space and the wall to be cooled is achieved in a simple manner that the thermal Losses to the outside are small even with a unified outer surface.

Die Kühlintensität, ausgedrückt durch kg cal/m' Wandfläche je Stunde, kann entsprechend der örtlichen Intensität des thermischen Stromes derart geregelt werden, daß die zulässige höchste Temperatur des thermisch am meisten beanspruchten Teiles, d. h. zum Beispiel des Bodens der Kühltasche 7 nicht überschritten wird. Es erfolgt dies dadurch, daß die Anzahl der Kühltaschen 7 und der zugehörigen Düsen 5 je Flächeneinheit entsprechend gewählt wird, und zwar um so größer, je größer die Kühlwirkung sein soll. Bei Anwendung derartiger Kühlelemente zur Kühlung der Wand eines schlackeführenden Verbrennungsraumes, wie z. B. bei Schmelzöfen, ist es auch möglich, die Isolierwirkung der geschmolzenen Schlacke auszunützen, wodurch die Anzahl der Kühltaschen 7 je Quadratmeter Wandfläche geringer gewählt werden kann. Ferner ermöglicht die Erfindung, die Kühlintensität der Metallwand durch Änderung der Menge des zugeführten Kühlmittels zu ändern.The cooling intensity, expressed by kg cal / m 'wall area per hour, can be regulated according to the local intensity of the thermal current be that the maximum allowable temperature of the most thermally stressed Part, d. H. for example the bottom of the cooling bag 7 is not exceeded. This is done in that the number of cooling bags 7 and the associated nozzles 5 per unit area is selected accordingly, the larger the larger the cooling effect should be. When using such cooling elements for cooling the Wall of a slag-carrying combustion chamber, such as. B. in melting furnaces is it is also possible to take advantage of the insulating effect of the molten slag, whereby the number of cooling bags 7 per square meter of wall surface can be selected to be lower can. Furthermore, the invention enables the cooling intensity of the metal wall by changing to change the amount of coolant supplied.

Der Erfindungsgegenstand bietet aber nicht nur im Rahmen seiner Verwendung zur Kühlung metallischer Wände von Verbrennungsräumen Vorteile. Er kann auch zur Kühlung von aus anderen als metallischem Material hergestellten Wänden oder von solchen Wänden dienen, die die Kanäle für Verbrennungsprodukte extrem hoher Temperatur, z. B. von Schmelzöfen od. dgl., einschließen, ohne daß eine solche unterschiedliche Verwendung der Erfindung überschreiten würde.The subject of the invention does not only offer in the context of its use for cooling metallic walls of combustion chambers Advantages. He can also to Cooling of walls made of other than metallic material or of such walls serve as the channels for combustion products of extremely high temperature, z. B. od smelting furnaces. Like. Include without such a different Use of the invention would exceed.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Cooling device for thermally highly stressed walls, consisting of a cooling chamber connected to the wall to be cooled, which has an inlet and outlet for the coolant and an intermediate wall running parallel to the wall to be cooled, through which the cooling chamber is divided into two, but through A transfer channel connected spaces, is divided into the Küblmittelzufluß- and the coolant outflow space, characterized in that the inflow of the coolant from the coolant inflow space (4) into the coolant outflow space (6) containing the wall (1) to be cooled through several in the Intermediate wall perpendicular to it arranged nozzles (5) takes place, the mouthpiece of which is just above the wall to be cooled (1). 2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the wall of the coolant inflow space (6) of the cooling chamber facing the heat source is provided with pockets (7) into each of which one of the nozzles (5) protrudes. Considered publications: German Patent Nos. 957 002, 949 954, 939 782, 906 636, 647 293, 625 741; British Patent No. 647,293; USA: Patent Nos. 2,311,819, 2,319,571.