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Die Erfindung bezieht sich auf Heizvorrichtungen, bei denen durch
offene Flammen, z. B. die von Ölbrennern oder die Glut einer Feuerstelle, erzeugte
Wärme auf Heizflächen durch Strahlung und von den Heizflächen auf vorbeiströmende
gasförmige Medien durch Konvektion übertragen wird.
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Bei manchen Erhitzern werden die Rauchgase durch Züge in Form von
Taschen, Rohren, hohle Rippen od. dgl. hindurchgeleitet, und auch hier erfolgt die
Wärmeübertragung auf die zu erhitzenden Medien durch Konvektion. Bei solchen Erhitzern
ist bekanntlich die Wärmeübertragung sehr wesentlich von der Geschwindigkeit der
Rauchgase relativ zu den Heizflächen abhängig. Die Rauchgasgeschwindigkeit schwankt
im Kessel- und Lufterhitzerbau in weiten Grenzen. Mit steigender Rauchgasgeschwindigkeit
steigt die Wärmeübergangszahl in mathematisch nicht erfaßbarer und auch sonst schwer
zu bestimmender Weise.
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Ähnliches gilt auch für Erhitzer, bei denen die Außenflächen der Feuerräume
unmittelbar als Heizflächen zur konvektiven Wärmeübertragung auf gasförmige Medien
dienen.
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In jedem Falle ist die Heizflächenbelastung für die Konstruktion der
Erhitzer von wesentlicher Bedeutung, und eine durch Erhöhung der Geschwindigkeit
der Medien ermöglichte Vergrößerung der Heizflächenbelastung kann zu einer sehr
spürbaren Verringerung der Abmessungen, des Gewichtes sowie der Herstellungs- und
Montagekosten führen.
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Bei vielfach bekannten Gestaltungen der Heizvorrichtungen ist die
den zylindrischen Feuerraum umschließende Innenwand von einer Außenwand umgeben,
und die zu erwärmenden Medien werden durch den Zwischenraum zwischen Innen- und
Außenwand geleitet. Um eine möglichst innige Berührung zwischen der Innenwand und
dem vorbeistreichenden Medium zu erzielen, ist sehr häufig die Außenfläche der Innenwand
mit rippenartigen Vorsprüngen versehen. Auch ist es nicht neu, zum Heranführen der
Heizgase an die Innenflächen der Innenwände innerhalb der Feuerräume Verdrängerkörper
vorzusehen. Bei einem Raumheizkörper hat man den der Heizflamme gegenüberstehenden
Boden eines die Heizgase zur Außenwand leitenden Verdrängerkörpers mit wärmeisolierendem
Werkstoff, wie Asbest, versehen, um eine Wärmeaufnahme des Verdrängerkörpers weitestmöglich
zu verhindern.
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Von einer Heizvorrichtung ausgehend, bei der das zu erhitzende Medium
zwischen einer den Feuerraum umschließenden Innenwand und einer Außenwand hindurchgeleitet
wird und bei welcher die Heizgase längs eines spaltförmigen Ringraumes zwischen
einem im Feuerraum anschließend an die heißeste Zone angeordneten Verdrängungskörper
und der genannten Innenwand mit (im Vergleich zur Anfangsgeschwindigkeit) stark
erhöhter Geschwindigkeit geführt werden, besteht die Erfindung darin, daß der Verdrängungskörper
als Strahlkörper ausgebildet ist, während das zu erhitzende Medium- ausdrücklich
beschränkt auf Luft oder andere Gase - im Gegenstrom zur Heizgasrichtung zwischen
den genannten Wänden (Innenwand, Außenwand) entlanggeführt ist, und daß ferner der
schmale Spalt zwischen Strahlkörper und Innenwand von Strömungsleitelementen freigelassen
ist.
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Diese Gestaltung hat zur Folge, daß die Wärme der Heizgase nicht nur
durch Konvektion, sondern auch durch Strahlung auf die zu erwärmenden Medien übertragen
wird, und zwar derart intensiv, daß eine besonders hohe Ausnützung der im Feuerraum
erzeugten Wärme erzielt wird.
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Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, daß unter Ersparnis umständlicher
Züge mit großen Heizflächen einfache Heizgebilde relativ geringer Baulänge genügen,
um Erhitzer hoher Endtemperaturen und guten Wirkungsgrades zu schaffen. Wichtig
ist hierfür, daß die Heizflächenbelastung ohne Schädigung sehr hoch getrieben werden
kann.
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Gerade im Hinblick hierauf besteht eine vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung darin, daß in dem durch die Innenwand und die Außenwand gebildeten
Ringraum im Bereich der heißesten Zone ein beiderseits offener, mit Bezug auf die
Innenwand als Kaltstrahler wirkender und deshalb relativ nahe der Innenwand, insbesondere
etwa in der Mitte zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordneter, Blechzylinder
vorgesehen ist.
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Das Hindurchleiten eines aufzuheizenden Gases durch einen den Feuerraum
umgebenden Ringraum im Gegenstrom zur Heizgasrichtung ist an sich bekannt. Auch
sei es erwähnt, daß bereits ölbefeuerte Frischluft- und Umluftheizgeräte bekannt
sind, bei denen in einem dem Durchleiten der zu erwärmenden Luft dienenden Ringraum
zwischen der Außenfläche der Innenwand eines Heizraumes und der Innenfläche einer
Außenwand in etwa einem Viertel des Abstandes zwischen den beiden Flächen ein Blechzylinder
angeordnet ist. Dieser dient dazu, die Strahlung von der Brennkammer zur Außenwand
zu verhindern, d. h. durch Abstrahlung der vom Blechzylinder aufgenommenen Wärme
in die den Ringraum zwischen Blechzylinder und Brennkammerwandung durchströmende
Kaltluft die Außenwand kühl zu halten. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung dagegen
dient der Blechzylinder dazu, die große Strahlungswärme der Brennkammer aufzunehmen
und ohne wesentliche Rückstrahlung auf die Brennkammerwand und auf die Außenwand
durch Konvektion den beiderseits vorbeiströmenden Medien zuzuführen. Der Blechzylinder
wirkt somit als Kaltstrahler.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung läuft der Strahlkörper nahe
dem Rauchgasaustritt in einen sich konisch verjüngenden Teil aus, der einen unter
8° liegenden konischen Neigungswinkel besitzt und zusammen mit dem Endteil der Innenwand
einen Diffusor bildet.
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Außerdem weisen der Blechzylinder und die Außenwand vor dem Austritt
der erhitzten Medien konisch erweiterte Teile auf, deren konische Neigungswinkel
relativ zueinander bzw. zur Innenwand kleiner als 8° sind, wodurch konzentrisch
ineinandergeschachtelte Diffusoren gebildet werden.
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Es hat sich gezeigt, daß durch die diffusorartige Gestaltung des Strahlkörperendes
und des Blechzylinderausgangs eine Ersparnis am Saugzug und eine Gesamtenergieersparnis
erreicht werden können. Die Anordnung der konzentrischen Diffusoren am Ausgang des
Strömungsweges hat den weiteren Vorteil, daß die beiden konzentrischen Diffusoren
nur halb so lang sein müssen, als wenn nur ein Diffusor vorhanden wäre. Das wiederum
hat zur Folge, daß der Blechzylinder sich über den gesamten Bereich der hohen Brenntemperaturen
erstrecken kann und daß die zu erhitzenden Medien sehr lange am Strahlungsraum vorbeiströmen
können.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es handelt sich
hier um einen Lufterhitzer mit einer Heizflächenbelastung von etwa 60 000 kcal/m?h.
Dieser Erhitzer weist ein aus Stahlblech bestehendes doppelwandiges Gehäuse mit
einer zylindrischen Innenwand 1, einer im wesentlichen zylindrischen Außenwandung
2, eine rechte Ringkammer 3 und eine linke Ringkammer 4 auf. Die rechte Ringkammer
3, in die eine am Ende verrundete Verlängerung 2 a der Außenwand 2 weit hineinreicht,
ist mit einem der Zufuhr der zu erhitzenden Luft dienenden Einlaßstutzen 5 versehen,
während die linke Ringkammer 4, in die ein sich nach außen konisch erweiterndes
Ende 2 b der Außenwandung um einen bestimmten Betrag hineinreicht, mit einem oder
mehreren der Abfuhr der erhitzten Luft dienenden Auslaßstutzen 6 versehen ist.
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Innerhalb der durch die Innenwandung 1 gebildeten Brennkammer
7, in die von links ein Brenner 8
hineinragt, ist im Abstand von wenigen
Millimetern von der Innenwandung 1 ein als Hohlkörper ausgebildeter, größtenteils
zylindrischer Strahlkörper 9 eingesetzt, der den Durchgangsquerschnitt der Heizgase
stark verringert und an seinem rechten Ende in einen sich verjüngenden Teil
10 mit dem konischen Neigungswinkel 11 ausläuft. Infolge dieser Verjüngung
tritt im rechten Endteil der Brennkammer 7 eine Diffusorwirkung auf.
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Um einen Durchtritt der Heizgase durch den Strahlkörper 9 zu verhindern,
ist dieser in gewissem Abstand von der Brennstelle 12 mit einer hitzebeständigen
Abschlußwand 13 ausgerüstet. An Stelle des Hohlkörpers 9 kann gegebenenfalls auch
ein Vollkörper Verwendung finden, der dann. keine Abschlußwand benötigt.
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Am linken Ende befindet sich zwischen der Außenwand 2 und der Innenwand
1 ein beiderseits offener Blechzylinder 14, der sich nach rechts bis über den Strahlkörper
9 erstreckt und links mit einem nach außen konisch erweiterten Teil 15 weit in die
linke Ringkammer 4 hineinreicht. Der konische Teil 15 besitzt einen Neigungswinkel
16 von weniger als 8° und das ihm gegenüberliegende, verlängerte Ende 2 b
der Außenwand 2 besitzt einen etwa doppelt so großen Neigungswinkel wie der konische
Teil 15 des Blechzylinders 14.
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Der beschriebene Lufterhitzer arbeitet wie folgt: In der an den Brenner
8 anschließenden Zone A-B, in der der Brennstoff verbrannt wird, erfolgt eine Abgabe
der erzeugten Wärme an die Innenwand 1 durch Strahlung und Konvektion. In der im
wesentlichen der Länge des Strahlkörpers 9 entsprechenden Zone B-C, in der die Strahlung
der Flamme nicht mehr wirksam ist, sondern der Wärmeübergang durch Konvektion erfolgt,
wird die Geschwindigkeit des Rauchgases ohne Wirbelbildung und Umlenkung gesteigert
und übermittelt einen Teil der in den Rauchgasen noch zu etwa 50 bis 70 % vorhandenen
Wärme auf die Innenwand durch die sogenannte graue Strahlung.
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Der Strahlkörper 9 erhöht durch seine graue Strahlung die Wärmeaufnahme
der durch die Innenwandung 1 gebildeten Heizfläche.
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Durch Messungen hat es sich gezeigt, daß der Strahlkörper 9, obgleich
er mit dem zu erhitzenden Medium nicht in Berührung kommt, sich bei weitem nicht
auf die Temperatur der Heizgase erhitzt. Da die Strahlung in der 4. Potenz mit der
Temperatur steigt, ist der Strahlkörper 9 auch im Bereich der Flamme durch die von
dieser ausgestrahlte Hitze nicht gefährdet.
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Infolge der konischen Verjüngung des Strahlkörpers 9 an seinem rechten
Ende erweitert sich der Ringkanal zu einem Diffusor 17. Liegt der Neigungswinkel
1l unter 8°, dann wird die den Rauchgasen im Ringkanal noch innewohnende Bewegungsenergie
weitgehend zurückgewonnen.
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Beispielsweise wurden bei einer Versuchsanlage ohne konische Erweiterung
des Ringkanals ein Saugzug von 80 mm W. S., mit der konischen Erweiterung jedoch
48 mm W. S. gemessen.
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Das zu erhitzende Luft- bzw. Gasmedium durchfließt im Gegenstrom den
durch die Innenwand 1 und die Außenwand 2 gebildeten Ringkanal und wird durch die
von der Innenwand durch Konvektion abgegebene Wärme erhitzt. Der am linken Ende
nahe dem heißesten Teil der Kammer vorhandene Blechzylinder 14 wird von dem Medium
beidseitig umspült. Die von der Innenwandung 1 im Gebiet der größten Hitze auf den
Blechzylinder 14 und von diesem auf die Außenwand 2 durch Strahlung übertragene
Wärme wird durch Konvektion auf das strömende Medium übermittelt. Die Anordnung
des Blechzylinders 14 hat zur Folge, daß die Heizflächenbelastung wesentlich verbessert
wird. Der Blechzylinder 14 ist relativ zur Innenwandung 1 ein Kaltstrahler, also
ungefährdet. Jedoch wird auch das durch die Innenwandung 1 gebildete Rohr nicht
unzulässig erhitzt, obgleich es unmittelbar mit der Flamme in Abschnitt A-B in Berührung
kommt. Es besteht zweckmäßig aus hitzebeständigem Werkstoff, und seine Temperatur
bleibt damit auch bei 2000° C Feuerraum-Temperatur unter der Zundertemperatur.
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In der Zeichnung ist die Breite des Spaltes zwischen Strahlkörper
9 und Innenrohr 1 mit S bezeichnet, der Durchmesser des Innenrohres mit D.
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Das Schutzbegehren beschränkt sich darauf, daß das Maß S gleich
oder kleiner ist als 1/s D.