DE2039243A1

DE2039243A1 - Verfahren zur Erhitzung von gasfoermigen oder fluessigen Medien auf hohen Temperaturen sowie Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2039243A1
Application number: DE19702039243
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dipl-Ing Pfeifer
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1970-08-07
Filing date: 1970-08-07
Publication date: 1972-02-10
Also published as: NL7109527A; AT316719B; GB1340718A; CH524107A; FR2103902A5; BE770547A; SE371488B

Description

Dipl.-Ing. KAHLER ■ Dr.-Ing. STARK · Dlpl.-lng. BONSMANN

D-.4-15O Krefeld 1 · Moerser Straße 14O · Fernruf (O 21 51) 2 OU- 69

oatum: 6.8.1970

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Verfahren zur Erhitzung von gasförmigen oder flüssigen Medien auf hohe Temperaturen sowie Vorrichtung zur Durchführung Ü Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhitzung von gasförmigen oder flüssigen Medien auf hohe Temperaturen, bei dem das zu erhitzende Medium durch einen Ringspalt längs der Wandung einer ia wesentlichen zylindrischen Brennkammer mit Strahlung»- und Konvektivteil gefuhrt und dabei durch Wärmeabgabe der in der Brennkammer erzeugten Rauchgase erhitzt wird· Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Erhitzung von gasförmigen oder flüssigen Medien ist der Aufwand der für die Erhitzung erforderlichen wirksamen Fläche relativ groß. Dw Grund für liegt darin, da0 die Hauchgaae im Strahlungsteil unter

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relativ geringen Partialdrücken der strahlungsfähigen Bestandteile an CO₂ und H₂O ihre Wärme auf die Heizfläche übertragen und der Konvektlvteil infolge des niedrigen Druckgefälles verhältnismäßig groß sein muß, um auf wirtschaftliche V.eise einen Wärmeübergang auch in diesem Bereich zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Schaffung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Erhitzung von gasförmigen oder flüssigen Medien auf hohe Temperaturen zugrunde, bei dem sowohl der Strahlungs- als auch der Konvektivtell im Vergleich zu den Vorrichtungen herkömmlicher Bauart wesentlich kleiner ausgeführt werden kann.

Las erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlungstell der Brennkammer heiße Rauchgase mit einer Temperatur von etwa 1600° C bis 1900° C unter einem Druck von mehreren Atmosphären erzeugt werden, dann den Rauchgasen unter im wesentlichen konstantem Brück etwa 60>ά bis 70,% der fühlbaren \.^rärme entzogen wird und dann die Rauchgase unter weiterer Wärmeabgabe an das zu erhitzende Medium unter hoher Strömungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) auf Mmosphärendruck entspannt werden, während das zu erhitzende Kedium unter einem etwa dem Brennkaicrierdruck entsprechenden Druck zunächst an dem gerade erhitztwerdenden Medium in Längsrichtung der zylindrischen Brennkammer in Richtung Strahlungstell - Eonvektivteil bei geringer Strömungsgeschwindigkeit vorbeigeliihrt und dabei gering vorgeheizt wird, dann die fJtrömungsrichtun^ des zu erhitzenden MediUiiüJ umgekehrt wird und anschließend die eigenb-

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liehe Erhitzung durch eine Führung des zu erhitzenden Mediums längs des Konvektivteils und danach des Strahlungsteils in der Brennkammer erfolgt.

Der hohe Druck im Strahlungeteil der Brennkammer hat den Vorteil» daß ein besonders intensiver Wärmeübergang an das zu erhitzende Medium erzielt wird. Somit kann der rtrahlungsteil relativ geringe Abmessungen erhalten. Durch die Entspannung der Rauchgase im Konvektivteil unter hoher Strömungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) kann ebenfalls ein optimaler konvektiver Hirmeübergang von den Rauchgasen auf das zu erhitzende Iledium erzielt werden.

Die Un&ehrführung des zu erhitzenden Mediums längs der Brennkammer und des Konveriktivteils weist den Vorteil auf, daß der Außenmantel des der Brennkammer zugewandten Ringmantels relativ kalt gehalten wird und daher in günstiger Wtise festigkeitsmäßig so bemessen werden kann» daß das zu erhitzende Medium unter hohem Druck gehalten werden kann. Dies bietet aber wiederum den Vorteil, daß die eigentliche Heizfläche, nämlich der Mantel der Brennkammer, die sowohl mit den heißen Rauchgasen als auch mit dem zu erhitzenden Medium Kontakt hat, druckentlastet ist und daher bis zu ihrer maximalen Hitzebeständigkeit beansprucht werden kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die heißen Rauchgase im Strahlungsteil unter einem Druck von mehreren Athmosphären gehalten werden

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- 4 und das zu erhitzende Medium etwa den gleichen Druck aufweist.

Die Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Stirnseite her direkt befeuerbare, rauchgasseitige druckbeaufschlagbare, im wesentlichen zylindrische Brennkammer in Verlängerung an einer Stirnseite einen mit einem Rauchgassanjmelring verbundenen schmalen konzentrischen Rauchgasringspalt aufweist und um den Mantel der Brennkammer und um den Rauchgasringspalt eine doppelte spaltförmige Ringkammer mit einer an einem Ende vorgesehenen UmkehrfUhrung zur Führung des zu erhitzenden Mediums vorgesehen ist.

In zweckmäßiger Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist weiterhin vorgesehen, daß der Rauchgasringspalt an der Befeuerungsseite der Brennkammer angebracht ist und die Zuführung und Abführung des zu erhitzenden Mediums aia anderen "Inde der Brennkammer vorgesehen int.

Lchließlich schlägt die Erfindung vor, daß in der Brennkammer ein Druckwächter zur feuerraumdruckabhängigen Überwachung des Brenners vorgesehen ist. Die Höhe des Rauchgasdruckes in der Brennkammer ist von dem Jeweiligen Bedarfsfall abhängig und beträgt erfindungsgemäß mehrere Athmosphären. Je höher der Druck in der Brennkammer ist, umso günstiger wird der Värmeüberganc durch Gasstrahlung auf das zu erhitzende Medium.

Die Aufrechterhaltung des Brennkamnierdruckes kann beispiels-

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weise über mit Preßluft betriebene Brenner erfolgen· Die Rauchgase werden in dem Rauchgasringspalt auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt» wenn das kritische Druckverhältnis vor und hinter dem als Konvektivteil wirkenden Rauchgasringspalt überschritten wird. Bei dieser maximalen Geschwindigkeit ist der Wärmeübergang von den Rauchgasen auf das zu erhitzende Medium ebenfalls optimal, so daß nur geringe Längenabmessungen für den Rauchgasringspalt erforderlich sind.

Infolge der Umkehr der Rauchgase an der hinteren Prallwand wird der Innenmantel der Brennkammer durch die leuchtende Flammenstrahlung des Brenners und die Gasstrahlung der Rauchgase gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt. Der wärmetechnische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in der üblichen Größenordnung von 75% bis 85% je nach Auslegung. Die Rauchgase verlassen den Rauchgassammeiring unter Atmosphärendruck bei einer Temperatur von ca. 450° bis 300° C. Als Brenner wird zweckmäßigerweise ein Brenner mit Außenmischung im Schallbereioh verwendet.

Im Teillastbereich wird die Preßluft mit gleichbleibendem Druck und gleichbleibende» Volumen, wie sie für Volllastbetrieb erforderlich wäre, zugeführt. Hierdurch ist es möglich, daß auch im Teillastbereich die Heizfläche infolge des Druckes des zu erhitzenden Mediums druckentlastet ist.

Di· überwachung des Brenners Über einen in der Brennkammer vorgesehenen Druckwächter ist besondere zweckmäßig, da bei

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einem Ausfall des Brenners infolge der schnell absinkenden Temperatur auch der Druck in der Brennkammer schnell abfällt. In zweckmäßiger Ausführung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß im Rauchgasringspalt Querschnittsverengungen vorgesehen sind. Diese Querschnittsverengungen können beispielsweise aus in einem schrägen Anstellwinkel zur Anstrcnrichtung angeordneten Stegen bestehen. Ilit dieser Kaßnalme können die Abmessungen des Rauchgasringspaltes auf ein konstruktiv leicht zu verwirklichendes Maß gebracht werden. Außerdem wird infolge der £tege ein fester Abstand des Außenringes und dee Innenringes des Rauchgasringspaltes erreicht.

Weiterhin schlägt die Erfindung vor, aaß in der inneren spaltförmigen Ringkammer schraubenartig um die zylindrische Brennkammer angeordnete £tege vorgesehen sind. Diese Maßnahme dient dazu, insbesondere bei flüssigen zu erhitzenden Medien örtliche Überhitzungen zu vermeiden, da auf diese l<eise ein Temperaturausgleich erzielt wird und die sogenannten ^wTotgebiete^w, d.h. solche Gebiete, die weniger schnell als die übrige Heizfläche durchströmt werden, vermieden werden.

In der Zeichnung ist ein Ausfühiiingsbeispiel der Irfindung dargestellt. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung in schematischer Darstellung.

Eine im wesentlichen zylindrische Brennkammer 1 weist einen ftrahlungsttil 2 und einen Konvektivteil 3 auf. Der itrahlungsteil 2, der durch eine zylindrische Wandung 4 sowie ktirnwän-

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de 5 und 6 "begrenzt wird, weist einen in der Mitte der Stirnwand 5 angebrachten Brenner 6a auf, der "beispielsweise als Brenner mit Außeninischung im Schallbereich ausgeführt sein kann. Die von dem Brenner 6a erzeugten Rauchgase strömen, wie durch die !feile in der Brennkammer dargestellt, gegen die der Stirnwand gegenüberliegende Stirnwand 6, die als Prallwand dient und von dort entlang der Innenwandung 4 des als Druckkammer ausgebildeten Strahlungsteil 2 zu dem Eonvektivteil 3» der sich in Verlängerung der zylindrischen Anordnung an die Stirnwand 5 anschließt und als schmaler, konzentrischer Rauchgasringspalt 7 ausgebildet ist. An den Rauchgasringspalt 7 schließt sich ein Rauchgassammeiring 8a an, von dem aus die Rauchgase in Richtung des Pfeiles A weggeführt werden.

Um den zylindrischen Teil des Strahlungsteiles 2 und den als Rauchgasringspalt 7 ausgebildeten Eonvektivteil 3 liegt eine Doppelringkammer, bestehend aus Ringkammern 9 und 10. Die Ringkammem 9 und 10 sind an ihrem dem Rauchgassammeiring 8a zugewandten Ende 8 miteinander verbunden und bestehen demgemäß aus einem Außenmantel 11 und einem Innemantel 12. Der Innenmantel 12 endet zur Erzielung einer Verbindung zwischen den Ringkammern 9 und 10 vor einer Stirnwand 13, die die Ringkammem 9 und 10 an ihrem, dem Rauchgassammeiring 8a zugewandten Ende abschließt.

Das zu erhitzende Medium wird über eine Zuführung 14 der Ringkammer 9 in Richtung des Pfeiles B an dem dem Rauchgassammelring 8a abgewandten Ende der Anordnung zugeführt, strömt dann entlang der Anordnung bis zu der Umfcehrftihrung 8 und dann durch die

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Ringkammer 10 entlang der Innenwandung des Strahlungsteils 2 geführt, tritt von dort aus in einen Sanmelring 15 ein und wird anschließend in Richtung des Pfeiles C einer (nicht dargestellten) weiteren Einrichtung zugeführt.

Mittels des Brenners 6a werden in dem Strahlungsteil 2 heiße Rauchgase mit einer Temperatur von etwa 1600° C bis 1900° C unter einem Druck von mehreren Athmosphären erzeugt. Die heißen Rauchgase strömen entlang der Innenwandung 4 dem Rauchgasringspalt 7 zu. Dabei wird den Rauchgasen unter im wesentlichen konstantem Druck von dem zu erhitzenden Medium etwa 60% bis 70% der fühlbaren Wärme entzogen. Im Konvektivteil haben die Rauchgase eine hohe Strömungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit). Unter diesen Bedingungen wird ein optimaler konvektiver Wärmeübergang auf das zu erhitzende Medium erzielt. Da die Außenwandung 11 der Anordnung durch das in Richtung des Pfeiles B heranströmende, zu erhitzende Medium gekühlt wird, ) und außerdem das zu erhitzende Medium einen dem Druck in der Brennkammer entsprechenden Druck aufweist, ist die Innenwandung 4 der Brennkammer 2 druckentlastet und kann daher bis zu ihrer maximalen Hitzebeständigkeit beansprucht werden.

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Claims

Patentansprüche

( 1 ._y ^v Verfahren zur Erhitzung von gasförmigen oder flüssigen Medien auf hohe Temperaturen, bei dem das zu erhitzende Medium durch einen Ringspalt längs der Wandung einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammer mit Strahlungs- und Konvektivteil geführt und dabei durch Wärmeabgabe der in der Brennkammer erzeugten Rauchgase erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlungsteil der Brennkammer heiße Rauchgase mit einer Temperatur von etwa 1600° C bis 1900° C unter einem Druck von mehreren Athmosphären erzeugt werden, dann den Rauchgasen unter im wesentlichen konstantem Druck etwa 6050 bis 70% der fühlbaren Wärme entzogen wird und dann die Rauchgase unter weiterer Wärmeabgabe an das zu erhitzende Medium unter hoher Strömungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) auf Athmosphärendruck entspannt werden, während das zu erhitzende Medium unter einem etwa dem Brennkammerdruck entsprechenden Druck zunächst an dem gerade erhitzt werdenden Medium in Längsrichtung der zylindrischen Brennkammer in Richtung Strahlungstell - Konvektivteil bei geringer Strömungsgeschwindigkeit vorbeigeführt und dabei gering vorgeheizt wird, dann die Strömungsrichtung des zu erhitzenden Mediums umgekehrt wird und anschließend die eigentliche Erhitzung durch eine Führung des zu erhitzenden Mediums längs des Konvektivteilε und danach des .Strahlungsteils in der Brennkammer erfolgt·

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Rauchgase im Strahlungsteil unter einem Druck von mehreren AthmoSphären gehalten werden und das zu erhitzende Medium etwa den gleichen Druck aufweist.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Stirnseite (5) her direkt befeuerbare, rauchgasseltig druckbe-

w aufschlagbare im wesentlichen zylindrische Brennkammer (2) in Verlängerung an einer Stirnseite (5) einen mit einem Rauchgassammeiring (8a)verbundenen, schmalen konzentrischen Rauchgasringspalt (7) aufweist und um den Mantel (4) der Brennkammer (6a) und den Rauchgasringspalt (7) eine doppelte spaltförmige Ringkammer (9, 10) mit einer an einem linde vorgesehenen UmkehrfUhrung (8) zur Führung des zu erhitzenden Mediums vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgasringspalt (7) an der Befeuerungsseite der Brennkammer (2) angebracht ist und die Zuführung (14) und die Abführung (15) des zu erhitzenden Mediums am anderen Ende der Brennkammer (2) vorgesehen 1st.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (2) ein Druckwächter zur feuerraumdruckabhängigtn Überwachung des Brenners (6a) vorgesehen ist.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 his 5, dadurch
gekennzeichnet, daß im Rauchgasringspalt (7) Querschnittsverengungen vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ouerschnittsverengungen aus in einem schrägen Anstell», winkel zur Anströmrichtung angeordneten Stegen bestehen*
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß in der inneren spaltförmigen Ringkammer schraubenartig um die zylindrische Brennkammer angeordnete Stege vorgesehen sind.

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