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Strahlheizrohr mit in einem Rohrschenkel angeordneten Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft ein Strahlheizrohr mit in einem Rohrschenkel angeordneten
Wärmetauscher zur rekuperativen Vorwärmung der dem. im zweiten Rohrschenkel angeordneten
Brenner zugeführten Verbrennungsluft zur Ausnutzung der Abgaswärme, mit außerhalb
des Ofenraumes liegender Verbindungsleitung der beiden Rohrschenkel, in der die
vorgewärmte Verbrennungsluft vom Wärmetauscher zum Brenner strömt und mit einem
als Doppelrohr ausgebildeten Wärmetauscher.
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Es ist bereits ein Strahlheizrohr dieser Art bekannt, in dem die Verbrennungsluft
durch einen als Doppelrohr ausgebildeten Wärmetauscher in dem Auslaßschenkel des
Strahlheizrohres strömt, um, im Wärmetausch mit den heißen Abgasen vorgewärmt zu
werden. Bei dieser bekannten Anordnung strömt die Verbrennungsluft aus dem Wärmetauscher
in ein außerhalb des Ofenraumes liegendes Verbindungsrohr und von diesem Verbindungsrohr
in den Einlaßrohrschenkel des Strahlheizrohres, in dem sich der Brenner befindet.
Das Verbindungsrohr ist starr mit dem Einlaßschenkel und dem Auslaßschenkel des
Strahlheizrohres verbunden. Die Verbindung dieses Verbindungsrohres mit dem Auslaßschenkel
und einer Seite des Wärmetauschers ist im Abstand von der Auslaßleitung für die
Abgase angeordnet, die mit der anderen Seite des Wärmetauschers kommuniziert. Durch
die Anordnung der Verbindungsleitung und der Auslaßleitung in einem relativ großen
Abstand voneinander werden die Wärmespannungen, die in dem Verbindungsrohr oder
der Verbindungsleitung auftreten, zwar in tragbaren Grenzen gehalten, zugleich wird
aber der Wärmetauscher nur schlecht ausgenutzt, da die heißen Abgase nicht über
die volle Länge des Wärmetauschers mit der frisch einströmenden Verbrennungsluft
im Wärmetausch stehen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeausbeute aus den
Abgasen bei einer Anordnung der beschriebenen Art zu vergrößern, um damit eine bessere
Aufheizung der Verbrennungsluft zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem gemäß dieser Erfindung die Verbindungsleitung
zwischen den beiden Rohrschenkeln an ihren Eintritten in die Rohrschenkel gleitend
gelagert ist und der Abgasaustritt etwa in der Achsenebene dieser Verbindungsleitung
liegt. Damit wird erreicht, daß die heißen Abgase über nahezu die gesamte Länge
des Wärmetauschers mit der eintretenden Verbrennungsluft bis zu der Stelle im Wärmeaustausch
stehen, an der diese Verbrennungsluft in die Verbindungsleitung eintritt. Die eintretende
Kaltluft kann deshalb die Temperatur der im Wärmetauscher vorerwärmten Verbrennungsluft
nicht im Bereich außerhalb des Austritts der Abgasleitung wieder abkühlen. Zugleich
wird mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht, daß trotz der Heranführung der
heißen Abgase bis an die Verbindungsleitung und der damit verbundenen stärkeren
Vorerwärmung der Verbrennungsluft keine Ausdehnungs- und Kontraktionsbelastungen
des Strahlheizrohres selbst durch die Wärmespannungen in der Verbindungsleitung
möglich sind.
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An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Strahlheizrohres gemäß der Linie 1-I in F i g. 2, F i g. 2 einen Teilschnitt längs
der Linie 11-II in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie III-I11 in F
i g.1 und F i g. 4 -einen Längsschnitt im Bereich der Dichtung an der Eintrittsstelle
der Verbindungsleitung in das Strählheizrohr nach den F i g. 1 bis 3.
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In den F i g. 1 bis 4 ist ein Strahlheizrohr 10 dargestellt, welches
die Wand 11 eines Ofens 12 durchdringt. Diese Wand kann ein Seiten-, Boden- oder
Deckenteil des Ofens oder der Ofenverkleidung sein und besteht, wie dargestellt,
aus einer feuerfesten Auskleidung 13, die sich in einem Metallmantel 14 befindet,
an dem das Strahlheizrohr 10 befestigt ist. Das Strahlheizrohr, das bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
die Form einer W-förmigen Röhre hat, verläuft
mit seinen Schenkeln 17 und 18 durch Öffnungen 15 und 16 der Wand 11, wobei der
Abstand dieser Öffnungen 15 und 16 voneinander durch den Abstand der Rohrschenkel
bestimmt ist. Das Rohr 19 kann irgendeine Gestalt mit Umkehrbogen und Rohrschenkeln
haben, die durch die Ofenwand hindurchgeführt sind. Solche Strahlheizrohre bestehen
aus legiertem Stahl, der hochtemperaturfest ist. Das Strahlheizrohr bildet die Wärmequelle
in dem Ofen, die zur Wärmebehandlung des Materials, gewöhnlich des Metalls, in dem
Ofen erforderlich ist.
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Die Wand 11 kann in einem Temperaturofen eine beträchtliche Dicke
aufweisen. Die Befestigung der Rohrschenkel erfolgt mit Flanschen 20 und 21, die
auf die Rohrschenkel aufgeschraubt sind. Die Flansche 20 und 21 sowie die Flansche
24 und 25 sind mit dem Ofenmantel fest verbunden, wozu auf dem Mantel befestigte
Stehbolzen 26 dienen, die die genannten Flansche durchdringen und auf die Muttern
27 aufgeschraubt sind. Zwischen den Flanschen und dem ofenseitigen Flansch sowie
dem Mantel 14 ist Dichtungsmaterial eingelegt. Der Mantel 14 hat öffnungen 28 und
29, durch die, wie dargestellt, die Rohrschenkel 17 und 18 hindurchgeführt
sind.
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Die Hülse 22 ist mit einer Ringplatte 30 abgeschlossen, die zwei Öffnungen
31 und 32 aufweist. Durch die Öffnung 32 erstreckt sich ein Zündbrenner 33, der
mit einer Flügelschraube 34 genau einstellbar ist. Durch den Zündbrenner 33 strömt
ständig eine kleine Gasmenge, die eine kleine Flamme zur Zündung des durch die Öffnung
31 hindurchgeführten Hauptbrenners 35 aufrechterhält. Dieser Hauptbrenner 35 ist
koaxial zu und in dem Rohrschenkel 17 angeordnet. Durch ein Rohr 36 wird Verbrennungsgas
oder zerstäubtes Brennöl dem Brenner 35 zugeleitet, an dessen Ende sich eine Düse
37 befindet.
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Die Hülse 22 ist mit einer feuerfesten Auskleidung 38 und die Ringplatte
30 mit einer Isolierung 39 verkleidet. Eine Verbindungsleitung 41, durch die Heißluft
strömt, erstreckt sich in eine Öffnung 40, die in der Seite der Hülse 22 und deren
Auskleidung vorgesehen ist. Durch diese Verbindungsleitung wird vorgewärmte Verbrennungsluft
dem Brenner 35 zugeleitet. Die Verbindungsleitung 41 ist mit einer feuerfesten
Isolation 42 umgeben, die zur Verhinderung von Wärmeverlusten und zur Sicherheit
für das Bedienungspersonal dient. Die Hülse 23 ist mit einer feuerfesten Isolierung
43 ausgekleidet und weist eine seitliche Öffnung 44 auf, durch die das untere
Ende der Verbindungsleitung 41 geführt ist. Ein Wärmetauscher in Form eines Rohres
45 mit geschlossenem Ende 46 ist koaxial in dem Rohrschenkel 18 angeordnet und erstreckt
sich durch die Hülse 23 in das äußere Ende dieses Rohrschenkels 18 hinein.
Das innere Ende des Wärmetauscherrohres 45 endet mit der Innenseite der Wand 11
und vermindert deshalb die Heizwirkung des innerhalb dieser Wand in dem Ofen befindlichen
Teils des Rohrschenkels 18 nicht. Das Wärmetauscherrohr 45 hat einen kleineren Durchmesser
als der Innendurchmesser des Rohrschenkels 18 und der Hülse 23, so daß ein Ringkanal
47 entsteht, durch den die heißen Abgase, die aus dem Strahlheizrohr 19 austreten,
strömen. Die Gase geben ihre Wärme durch das Rohr 45 und die Endplatte 46 auf die
zu der Verbindungsleitung 41 und dem Ringraum um den Brenner 35 strömenden
Luft ab. Die gekühlten Abgase werden durch eine Öffnung 48 in der Hülse 23 und durch
einen Abgasaustritt 49 ausgestoßen, der etwa in der Achsenebene der Verbindungsleitung
41 liegt. Der Auslaß ist mit einem Kamin verbunden, durch den die Abgase abgeführt
werden. Wahlweise kann ein Gebläse für die Abfuhr der Abgase vorgesehen sein.
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Durch ein Lufteinlaßrohr 50 wird die Verbrennungsluft angesaugt, die
am Ende 51 dieses Rohres in das Wärmetauscherrohr 45 einströmt. Vorzugsweise sind
auf der inneren Oberfläche des Rohres 45 sich in axialer Richtung erstreckende radiale
Rippen 52 vorgesehen, um den Wärmeübergang von den außerhalb dieses Rohres strömenden
Abgasen auf die innerhalb dieses Rohres strömende Verbrennungsluft zu vergrößern.
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Diese Verbrennungsluft, die, wie beschrieben, durch das Rohr
50 einströmt und am inneren Ende dieses Rohres umgelenkt wird; strömt über
die Rippen 52 in den Ringraum 52a und von da aus in die Verbindungsleitung
41, die die Luft durch eine Seitenöffnung 53 in dem Wärmetauscherrohr 45 erreicht.
Das äußere Ende 45 des Wärmetauscherrohres kann mit einem Flansch 54 verschweißt
sein, während das äußere Ende des Lufteinlaßrohres 50 mit einer ringförmigen Deckplatte
55 verschweißt sein kann, die mit Schrauben auf der Hülse 23 befestigt ist.
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Die Öffnung 53 ist von einem Zylinderflansch 56 umgeben und durch
einen Ringabsatz 57 begrenzt, auf dem das untere Ende der Leitung 41 aufliegt. Wie
in F i g. 4 im einzelnen dargestellt ist, ist die Leitung 41 an ihrem Umfang am
oberen und unteren Ende zur Aufnahme einer -Labyrinthdrahtdichtung 58 mit einer
Aussparung versehen. Die Dichtung kann aus einigen Spiralwindungen aus Draht, die
sich in dieser Aussparung befinden, bestehen, wobei sie in dieser Aussparung durch
Heftschweißung oder Hartlötung gehalten werden können. Die Drahtwindungen aus dem
spiralförmig gewickelten Draht stehen etwas, jedoch genügend weit, über den Außendurchmesser
der Leitung 41 hinaus, um gegenüber der Innenfläche des Flansches 56 bzw. der Öffnung
40 abzudichten, wodurch bei Betrieb mit hohen Temperaturen sich die Drahtwindungen
ausdehnen und eine wirksame Gasdichtung bilden können. Darüber hinaus kann die Leitung
41 sich in axialer Richtung relativ zu den Öffnungen 40 und 53 gleitend bewegen,
wodurch ein Anschluß der Verbindungsleitung an die Hülsen geschaffen wird, der gasdicht
ist und der von Spannungen, die durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden,
nicht beeinflußt wird. Verschraubungen und Verbindungsstücke sind entbehrlich. Über
der Öffnung 53 kann ein Kragen 59 auf der Verbindungsleitung 41 angeordnet sein,
um eine Leckströmung der Abgase durch die Öffnung 44 rund um die Außenseite des
Rohres 41 zu verhindern.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 rekuperiert die Wärme
der Abgase, welche den Rohrschenkel 18 verlassen, durch die Wand des Wärmetauscherrohres
45, wobei diese rekuperierte Wärme. von der durch den Lufteinlaß 50 einströmenden
Verbrennungsluft aufgenommen wird. Gleichzeitig wird die Wärmemenge, welche durch
den Rohrschenkel 18 des Strahlheizrohres an die Wand 11 des Ofens abgegeben wird,
wesentlich verringert. Die erhitzte Verbrennungsluft strömt durch die isolierte
Verbindungsleitung 41 in die Hülse 22 und den Rohrschenkel 17 des Strahlheizrohres
19. Hierdurch wird der zur Verfügung stehende Brennstoff in maximaler Weise ausgenützt.
Da
das Verbindungsrohr -und der Abgasim im wesentlichen -koaxial angeordnet sind, können
die Abgase und die Frischluft über die ganze Länge des Wärmetauschers miteinander
in Wärmetausch stehen. Durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Spannungen haben
in einer erfindungsgemäßen Anordnung keine Wirkung auf die Befestigung des Strahlheizrohres,
wobei gleichzeitig die Verbindungsleitung 41 in wirtschaftlicher Weise hergestellt
werden kann.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel wirkt als Saugsystem mit induziertem
Zug. Es kann jedoch gleichermaßen als Drucksystem wirken, wobei ein Gebläse Luft
in das Lufteinlaßrohr 50 drückt. Alternativ kann sowohl im Lufteinlaß als auch im
Abgasauslaß je ein Gebläse vorgesehen sein.