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Rekuperativwärmetauscher Die Erfindung betrifft einen Rekuperativwärmetauscher
zur Winderhitzung für die Feuerungen von Verbrennungsöfen unter Verwendung der aus
den Öfen abziehenden heißen Rauchgase.
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In der industriellen Technik werden Rekuperativwärmetauscher sowohl
für flüssige wie auch für gasförmige Medien in zahlreichen Ausführungsformen verwandt.
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Für flüssige Medien ist bereits ein Wärmetauscher bekannt, bei dem
die Rauchgase nach Verlassen der Brennkammer unmittelbar in einen vertikalen Rauchgaszug
eintreten, in dem um einen mittleren einbautenfreien Rauchgaskanal sternförmig mehrere
Rohre angeordnet sind, in denen das aufzuheizende flüssige Medium zirkuliert. Die
aus der Brennkammer austretenden heißen Rauchgase treffen unmittelbar auf diese
Rohre auf, umströmen und erwärmen sie.
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Bekannt ist weiter ein Wärmetauscher für Verbrennungsöfen, bei dem
die aus der Brennkammer austretenden heißen Brenngase in einen Rauchgasabzug eintreten,
an dessen oberem Ende sie seitlich und nach unten abgelenkt werden und in einem
breiten Ringkanal nach unten strömen, der durch den Rauchgasabzug und einen diesen
umgebenden Mantel gebildet wird. In diesem Ringkanal sind sternförmig mehrere Windkanalzüge
angeordnet, durch die der aufzuheizende Wind im Gegenstrom zu den heißen Rauchgasen
von unten nach oben durchgeführt wird. Die heißen Rauchgase geben ihre Wärme an
die Windkanalzüge ab und heizen damit den Wind auf.
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Jeder Rekuperativwärmetauscher für Verbrennungsöfen soll die Aufgabe
erfüllen, daß die heißen Rauchgase ihre Wärme möglichst weitgehend an die Windkanalzüge
abgeben und daß örtlich keine Überhitzungen auftreten. Dies setzt voraus, daß die
Rauchgase die Windkanalzüge in möglichst großem Umfang umströmen und daß sowohl
die Rauchgase wie auch der Wind möglichst weitgehend durchwirbelt werden, damit
sich schon abgekühlte Rauchgasmengen mit noch heißen Rauchgasmengen durchmischen
und damit schon heiße Windmengen mit noch kalten Windmengen durchmischt werden,
damit auch diese aufgeheizt werden.
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Bei dem oben zuerst erläuterten Wärmetauscher für flüssige Medien
besteht die Gefahr, daß zentrisch in dem Rauchgaszug eine heiße Rauchgassäule zum
Rauchgasabzug wandert, ohne dabei die das wärmeaufnehmende Medium führenden Rohre
berührt zu haben.
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Bei dem weiter beschriebenen Rekuperativwärmetauscher des Standes
der Technik zur Winderhitzung für die Feuerungen von Verbrennungsöfen ist die Gefahr
einer Schichtenbildung gegeben. Die Rauchgase strömen in den zwischen den Windkanalzügen
gebildeten Schächten ab, wobei sich an den Windkanalwänden kalte und zwischen diese
heiße Rauchgasschichten bilden, die unvermischt abströmen und eine nur unvollständige
Ausnutzung des Wärmeinhaltes der Rauchgase bedingen.
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Zur Lösung der oben allgemein für Rekuperativwärmetauscher genannten
Aufgabe sieht die Erfindung eine Konstruktion vor, bei der die in dem Rauchgaszug
zwischen den Windkanalzügen abströmenden heißen Rauchgase ständig durchmischt und
durchwirbelt werden. Hierbei macht die Erfindung von an sich bekannten Strömungsleiteinrichtungen
Gebrauch.
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Ausgehend von einem Rekuperativwärmetauscher zur Winderhitzung für
die Feuerung von Verbrennungsöfen unter Verwendung der aus den Öfen abziehenden
heißen Rauchgase, mit einem vertikalen Rauchgaszug, in welchem mehrere Windkanalzüge
sternförmig um einen mittleren einbautenfreien Rauchkanal angeordnet sind, löst
die Erfindung die Aufgabe dadurch, daß auf der Außenseite der Windkanalzüge in Strömungsrichtung
der Rauchgase Strömungsleiteinrichtungen angeordnet sind, deren Längsachse auf einer
die Windkanalzüge umgebenden gedachten Schraubenlinie liegen und die gegenüberliegenden
Strömungsleiteinrichtungen zweier benachbarter Windkanalzüge gleiche Neigung und
Richtung aufweisen.
Diese Anordnung der Strömungsleiteinrichtungen
zwingt die Rauchgase, die Windkanalzüge in einer schraubenlinienförmigen Bahn zu
umströmen. Nach einem Umlauf um einen Windkanalzug kommen die Rauchgase wieder zur
Mitte und reichern sich dort, bevor sie den Windkanalzug erneut schraubenlinienförmig
umströmen, mit den heißen Rauchgasmengen an, die in dem mittleren einbautenfreien
Rauchgaskanal nach oben strömen und keine oder nur wenig Wärme an die Windkanalzüge
abgegeben haben, da sie diese überhaupt nicht oder nur deren Schmalseite berührt
haben. Zwischen den einzelnen Windkanalzügen bzw. zwischen den einander zugekehrten
Seiten von zwei Windkanalzügen strömen die Rauchgase auf ihrer schraubenlinienförmigen
Bahn immer in gleicher Richtung.
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In weiterer Entwicklung des vorstehend geschilderten Grundgedankens
der Erfindung ist vorgesehen, daß die Neigung der Strömungsleiteinrichtungen der
am kälteren Ende des Wärmetauschers befindlichen Strömungsleiteinrichtungen größer
ist als die der am heißeren Ende liegenden.
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Dieses Merkmal bewirkt, daß die schraubenlinienförmige Bahn der noch
heißeren Rauchgase um einen Windkanalzug steiler als die schraubenlinienförmige
Bahn der schon kälteren Rauchgase ist bzw. daß die heißeren Rauchgase den Windkanalzug
schneller als die schon abgekühlten und kälteren umströmen. Dies bewirkt einen möglichst
gleichmäßigen Wärmeübergang auf der gesamten Länge der Windkanalzüge und vermeidet
Überhitzungen am heißen Ende.
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Schließlich sieht die Erfindung noch vor, daß im Innern jedes Windkanalzuges
über mindestens den größeren Teil seiner Länge entlang seiner Haupt-oder langen
Achse ein dünner Bandstreifen und Leitbleche derart angeordnet sind, daß der zu
erhitzende Wind oder das zu erhitzende Gas in den Windkanalzügen von einer Seite
des Bandstreifens auf dessen andere Seite bewegt wird.
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Hiermit wird bewirkt, daß auch der Wind in jedem Windkanalzug umgewälzt
und immer neue Windmengen an die heißen Wände des Windkanalzuges herangebracht werden.
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Die Erfindung wird nun am Beispiel von zwei Ausführungsformen, die
in der Zeichnung dargestellt werden, weiter erläutert. Dabei ist F i g. 1 ein Längsschnitt
durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rekuperativwärrnetauschers entlang
der Schnittlinie 1-1 in F i g. 2, F i g. 2 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie
2-2 in F i g. 1, F i g. 3 in größerem Maßstab ein Schnitt durch einen Windkanalzug,
wobei jedoch nur die Strömungsleiteinrichtungen im Innern des Windkanalzuges dargestellt
sind, und F i g. 4 ein Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Rekuperativwärmetauschers.
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Der Wärmetauscher weist den zylindrischen Vertikalen Rauchgasabzug
4 mit einem Mantel 3 auf. In diesen strömen die Rauchgase aus dem Verbrennungsofen
5 ein. Bei der in den F i g. 1 und 3 gezeigten Ausführungsform wird der Mantel 3
in geringem Abstand von einem Mantel 6 umgeben. Das zu erhitzende Gas, das im folgenden
Wind genannt wird, wird durch einen Einlaßstutzen 7 in einen Verteilerringkasten
8 eingeführt. Ein Teil des Windes fließt in den Ringraum 7' zwischen dem Mantel
3 und dem Mantel 6, wobei er durch Öffnungen 9 eintritt und der Wärmetausch von
den Rauchgasen zum Wind durch den Mantel 3 hindurch stattfindet. Es sind mehrere
Windkanalzüge 10 vorgesehen, die sich im Rauchgasabzug 4 in dessen Längsrichtung
erstrecken. Ihre oberen Enden sind über Öffnungen 11 mit dem Verteilerringkasten
8 verbunden. Der unten aus den Windkanalzügen 10 austretende erhitzte Wind
mischt sich mit dem Wind aus dem Ringraum 7' in einem verbreiterten Ringraum
12. Der gesamte Wind sammelt sich in einem Heißwindringkasten 13 und
wird durch einen Auslaßstutzen 14 abgeführt. Zum Ausgleich von Unterschieden
in der Wärmedehnung zwischen den Windkanalzügen 10 und dem Mantel
3
ist für jeden Windkanalzug 10 eine Expansionsgleitverbindung vorgesehen.
Zum Ausgleich von Unterschieden in der Wärmedehnung zwischen dem inneren Mantel
3 und dem äußeren Mantel 6 ist eine Wellung 15 vorgesehen.
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Die Windkanalzüge 1.0 haben länglichen Querschnitt, wobei ihre
längeren Achsen radial im Rauchgasabzug 4 liegen. Sie sind im gleichmäßigen
Abstand voneinander im Inneren des Rauchgasabzuges 4
angeordnet und haben
rundherum einen Abstand zum Mantel 3, so daß die Rauchgase um die Windkanalzüge
herum eine Zirkulationsbewegung ausführen können. Es sind die Strömungsleiteinrichtungen
16, 17, 18, 19, in Form von Streifen 16, 17, 18,
19 vorgesehen, die unter
einem Winkel schraubenförmig an der Außenseite der Windkanalzüge 10 aufgeschweißt
sind. Die Strömungsleiteinrichtung 16 auf einer Seite eines Windkanalzuges
10 hat eine Neigung, die der der Strömungsleiteinrichtung 17 auf der
anderen Seite des Windkanalzuges 10 entgegengesetzt ist. Die Strömungsleiteinrichtung
17 führt die Rauchgase in Richtung auf den Umfang des Rauchgaszuges 4, und
die Strömungsleiteinrichtung 16 auf der anderen Seite führt die Rauchgase
in die Mitte in den Mischbereich 20. Die Strömungsleiteinrichtungen 18,
19
auf dem benachbarten Windkanalzug 10 sind derart angeordnet, daß sie eine
entgegengesetzt gerichtete Strömung um diesen Windkanalzug 10 bewirken. Das heißt,
die Strömung verläuft um den Windkanalzug 10, an dem die Strömungsleiteinrichtungen
16, 17 befestigt sind, in Gegenuhrzeigerrichtung und in Uhrzeigerrichtung um den
Windkanalzug 10, an dem die Strömungsleiteinrichtungen 18, 19 befestigt
sind. Benachbarte Windkanalzüge 10 werden daher in verschiedenen Drehrichtungen
umströmt, wie das durch die Pfeile in F i g. 2 dargestellt ist. Gemäß F i g. 1 kann
mehr als eine Reihe von Strömungsleiteinrichtungen 16, 17, 18, 19 übereinander vorgesehen
sein, und die Neigung der dem kälteren Auslaßende näherliegenden Strömungsleiteinrichtungen
ist größer als die Neigung der Strömungsleiteinrichtungen am heißeren Einlaßende.
Die Konvektionswärmeaustauschleistung wird dadurch vergrößert.
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Jeder Windkanalzug 10 weist in seinem Inneren einen Bandstreifen 21
auf, der sich über einen Teil oder die gesamte Länge des Windkanalzuges
10 erstreckt. Der Bandstreifen 21 ist in der Hauptachse des Windkanalzuges
10 angeordnet, so daß rund um den Bandstreifen herum zwischen ihm und dem
Windkanalzug 10 ein Abstand verbleibt. Auf seinem Weg durch Windkanalzug 10 nach
unten wird der Wind durch Leitbleche 22, 23 von einer Seite des Bandstreifens 21
auf die andere geführt. Die Leitbleche auf gegenüberliegenden Seiten des Bandstreifens
21 sind
entgegengesetzt geneigt. Auch bei minimaler Durchströmung
wird damit eine zwangläufige Umlenkung erreicht.
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In der Darstellung sind die Strömungsleiteinrichtungen 16,17,18,19
am Windkanalzug 10 befestigt. Sie können jedoch auch am Mantel 3 befestigt sein.
Desgleichen könnten die Leitbleche 22, 23 an der Innenwand der Windkanalzüge
10 statt am Bandstreifen 21 befestigt sein.
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Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist
im Längsschnitt in F i g. 4 dargestellt. Der in den F i g.1 bis 3 gezeigte Mantel
6 wird hier nicht benutzt, und statt dessen ist die Innenfläche des Mantels 3 mit
wärmeisolierendem Material 24 ausgekleidet. Der gesamte zu erhitzende Wind strömt
durch die Windkanalzüge 10. Der Rauchgasabzug 4 ist vorzugsweise kreisförmig.
Es können jedoch auch andere Querschnittsformen wie etwa rechteckige benutzt werden.
Die Windkanalzüge 10 sind am Kaltwindverteilerringkasten 8 mit Expansionsbälgen
25 angeschlossen. An ihrem Auslaßende sind die Windkanalzüge 10 an den Heißwindringkasten
13 angeschlossen. Ein Gleitanschluß 26 ist zum Ausgleich von Wärmedehnungen der
Windkanalzüge 10 am Rauchgasauslaß vorgesehen.