DE2116988A1 - Rekuperator - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr. O. Loe-enbeck

Dlpl.-ing. Stecke

Dipl.-ing. Lcesanbeck
43 Bislefild, Ksfiorcer Sir: f^e If

15/3t.

55» Public Square, Cleveland,

MIDLüND-HÜSS GÜKPOHA^r±'IüM, 43&&®Β&^8&Β8ΒΒϊφΒ£4α&€&? Ohio 44113 USA

!Rekuperator

Die Erfindung betrifft einen Rekuperator. Bei industriellen ölofen werden üblicherweise Wärmeaustauscher eingesetzt, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen, was durch 'wärmeaustausch mit den heißen Verbrennungsgasen, die den Ofen verlassen, geschieht. Eine bekannte Art derartiger Y/ärmeaustauscher ist ein schachtf örmiger Rekuperator, der insbesondere bei großen Industrieöfen wie beispielsweise Hüttenwerks-ÜFief öfen und Brammen-Heizöfen eingesetzt wird. Derartige schachtförmige Hekuperatoren weisen ein vertikal liegendes Mantelgehäuse auf, das eine im wesentlichen zylindrische Stahlaußenschale hat, die innenseitig mit feuerfestem Material ausgekleidet ist. Darinnen ist abständig zu der Auskleidung ein zylindrischer Stutzen aus hitzebeständigem Material angeordnet, der mit der Verkleidung einen Hingraum bildet. Der Stutzen besteht üblicherweise aus einer hitzebeständigen Metall-Legierung. Die heißen Abgase werden in den unteren

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Bereich, des Stutzens eingeführt, fliegen in dem stutzen nach, oben und treten an der Oberseite aus. Die zu erhitzende Luft strömt durch den Ringrauia zwischen dein Stutzen und der Verkleidung des Gehäuses und z7/ar üblicherweise im Gegenstrom zu dem heißen Abgss. Der Stutzen ist auf der Oberseite mit dem Stahlmantel des Gehäuses befestigt und es sind k'ittel vorgesehen, die die Wärmeexpansion des unteren Endes des Stutzens ermöglichen* Es ist hierbei bekannt, als Mittel für die vertikal bewegliche Lagerung des. unteren Endes des Stutzens und zugleich als Druckabdichtung zwischen der Verbrennungsluft und den heißen Abgasen einen großen, balgartigen Federungsblock aus nichtrostendem Stahl vorzusehen« Derartige Federungsblocks sind nicht nur teuer sondern oft auch die Quelle dauernder Instandhaltungs-Arbeiten infolge von Undichtigkeiten. Darüber hinaus üben diese Federungsblöcke oft auf den Stutzen Verformungen hervorrufende Spannungen aus, wenn der Stutzen expandiert oder sich zusammenzieht. Diese Belastungen führen zu einem Verbiegen des Stutzens und setzen seine Lebensdauer beträchtlich herab.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hekuperator vorstehend geschilderten Aufbaus zu schaffen, bei dem sich das Ende des Stutzens belastungsfrei ausdehnen und zusammenziehen kann, wobei zugleich eine gute Druck abdichtung zwischen der zu erwärmenden Verbrennungsluft und den heißen Abgasen gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß ein mit Flüssigkeit gefülltes Becken vorgesehen ist, in das sich das untere Ende des Stutzens erstreckt. Somit kann sich der Stutzen unter dem Einfluß der Wärme frei ausdehnen und. auch wieder zusammenziehen, ohne daß irgendwelche Belastungen auf inn ausgeübt werden und. ohne daß er beschädigt werden könnte. Ferner ist eine

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einwandfreie und vor allen Dingen praktisch wartungsfreie Abdichtung zwischen der zu erwärmenden Verbrennungsluft und den heiLen Abgasen durch die Flüssigkeit gewährleistet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des. Erfindungsgegenstandes ist dem Becken eine Flüssigkeitsspeise- und Hiveau-ßegelvorrichtung zugeordnet, so daß sich' dauerhaft ein etwa konstanter Flüssigkeitsspiegel in dem Becken aufrechterhalten läßt und damit eine dauernde Überwachung des Beckens in Fortfall kommt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsfora weist die Niveau-Hegelvorrichtung eine sich in aas Becken erstreckende Überlaufleitung auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Niveau-Hege1-vorrichtung einen Überlaufdamm in einem außerhalb des Rekuperatorgehäuses angeordneten Flüssigkeitsspeicherbehalter, der in leitender Verbindung mit dem Becken steht·

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß das Becken zumindest teilweise durch den Gehäusemantel und ein sich in den Stutzen erstreckendes inneres Wandstück gebildet ist, durch das das heiße Abgas in den Stutzen geleitet wird. Ist, wie gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform für das innere Wandstück eine Verkleidung aus feuerfestem Material vorgesehen, wird durch dieses in den Stutzen hineinragende Wandstück der untere Endbereich des Stutzens in vorteilhafter Weise vor einer größeren thermischen Beanspruchung geschützt.

Sas Gehäuse des Rekuperators und der Stutzen sind vorzugsweise ia wesentlichen zylindrisch, um eine gute StrÖMungszone für den Gas st ro* durch den Stutzen zu

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haben und dabei eine befriedigend große Wärmeaustauschfläche zwischen dem den Stutzen durchströmenden Abgas und der zu erwärmenden Verbrennungsluft zu haben, die in dem von der Außenseite des Stutzens und der Verkleidung des Gehäuses gebildeten Hohlraum strömt.

Der Boden des Rekuperatorgehäuses ist zweckmäßig geschlossen und durch das Mantelgehäuse ist ein Einlaß für die heißen Abgase geführt.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

!Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rekuperator gemäß der Erfindung,

Fig· 2 die Flüssigkeitsabdichtung mit Speise- und Hiveau-Regelvorrichtung des Rekuperators nach Fig. 1 in vergrößerter Teilschnittdarstellung,

Fig. 3 eine weitere Äusführungsform einer Flüssigkeitsabdichtung samt Speise- und Niveau-Regelvorrichtung eines Rekuperators gemäß der Erfindung in Teilschnittdarstellung.

Der in Fig. 1 dargestellte schachtförmige Rekuperator 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das einen zylindrischen Stahlmantel 11 sowie eine Sragbasis 13 hat. Das Gehäuse 12 weist eine Verkleidung 15 aus feuerfestem Material als isolierend wirkenden Schamottsteinen auf, die auch beständig gegenüber Windabrasion sind» Ein im wesentlichen zylindrischer, aus hitzebeständigem Metall oder einer entsprechenden Metall-Legierung bestehender ' Stutzen 17 hängt vom oberen Ende des Gehäuses 12 über

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einen konischen Ansatz 19 herab, der luftdicht mit dem G-ehäusemantel 11 beispielsweise durch Anschweißen an einen entsprechenden Flansch 21 verbunden ist. Der Stutzen 17 ist in abständiger Lage von der feuerfesten Verkleidung 15 durch entsprechende Distanzstücke 23 gehalten, die an dem Gehäusemantel 11 befestigt sind, so daß die Verkleidung 15 und der Stutzen 17 einen ringförmigen Hohlraum bilden. Dieser Hohlraum weist einen oberen Hohlraumabschnitt 29, einen unteren Hohlraumabschnitt 51 sowie einen Durchlaß 25 auf. Am oberen Ende des Gehäusemantels 11" ist eine Öffnung 26 vorgesehen, in der ein Einlaßstutzen 27 angeordnet ist, durch den ein kaltes gasförmiges Medium wie beispielsweise Luft, das angewärmt werden soll, in den oberen Hohlraumabschnitt 29 eingeführt werden kann, der durch den konischen Abschnitt 19j den Gehäusemantel 11 und die obere Stirnfläche der Verkleidung 15 gebildet ist. Der untere Hohlraumabschnitt 31 befindet sich am unteren Ende der Verkleidung 15 und weist eine Öffnung 32 auf, der ein Auslaßstutzen 33 zugeordnet ist. Der Auslaßstutzen 33 führt zu einem Ölbrenner (nicht dargestellt). Unterhalb des unteren Hohlraumabschnittes 31 befindet sich ein Einlaßstui;zen 35 für das heiße Abgas.

Im Bodenbereich des Gehäuses 12 befindet sich ein ringförmiges Wandstück 34-, das mit einer feuerfesten Verkleidung 37 versehen ist. Das Wandstück 34- erstreckt sich bis in den Stutzen 17 und es weist eine Basis 36 sowie eine Einlaßöffnung 38 auf, die die leitende Verbindung zwischen dem Einlaßstutzen 35 und dem Innenraum des Rekuperators herstellt. Das Wandstück 34- weist im oberen Bereich einen Zylinder 39 aus einer hitzebeständigen Metall-Legierung auf, an dem ein Basisring 4-1 · befestigt ist, der an seinem Außenumfang mit dem Gehäusemantel 11 verbunden ist, so daß dieser Zylinder 39, der

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Basisring 41 und der entsprechende Bereich des Gehäusemantels 11 ein Becken 43 bilden, das mit Flüssigkeit wie beispielsweise 'fässer gefüllt ist. In dieses ringförmige Becken 43 ist das untere Ende des Stutzens 17 hineingeführt derart, daß auf der Stutzeninnen- wie auf der Stutzenaußenseite jeweils ein ringförmiger Flüssigkeitsraum gebildet ist. Das Becken 43 weist eine öffnung 44 auf, die über eine Leitung 47 mit einem Flüssigkeitsspeicher 45 in leitender Verbindung steht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat der Flüssigkeitsspeicher 45 einen Überlaufdamm 49, um den Flüssigkeitsspiegel in dem Becken 43 zu kontrollieren. Oberhalb des Flüssigkeitsspeichers 45 befindet sich eine Speiseleitung 51 und neben dem "Überlaufdamm 49 befindet sich ein Abfluß 53 zum Abführen des Flüssigkeitsüberschusses. Der Flüssigkeitsspiegel in dem Flüssigkeitsspeicher 45 ist mit der Bezugsziffer 55 gekennzeichnet und der Flüssigkeitsspiegel in dem Speicherbecken 43 ist auf der Innenseite des Stutzens 17 mit der Bezugsziffer 57 und mit den Bezugsziffern 59 und 60 auf der Außenseite des Stutzens 17 gekennzeichnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Flüssigkeitsspiegels in dem Becken 43 auf der Innenseite des Stutzens 47 eine Überlaufleitung 61 vorgesehen, die sich auf der Innenseite des Stutzens 17 befindet und durch die über eine Leitung 65 der Flüssigkeitsüberschuß abgeführt werden kann· Zur Speisung des Beckens 43 ist dabei eine mit einem Ventil 64 versehene Leitung 63 vorgesehen.

Im Betrieb djes Rekuperators wird kaltes, zu beheizendea Gas wie beispielsweise Verbrennungsluft durch den Einlaßstutzen 37 ia den Hohlraumabsehnitt 29 geleitet, von

dem das Gas nach, unten durch den Durchlaß 25 in den vorgeheizten Hohlraumabsehnitt 31 strömt, aus dem es durch den vorgeheizten Anlaßstutzen 35 ausströmt, wie mit den Strömungspfeilen in Fig. 1 gekennzeichnet. Das vorgeheizte Gas gelangt dann beispielsweise zu Brennern, die heiße Gase erzeugen, die zu Heizzwecken benutzt werden, wobei dann das verbrauchte Gas von dem Rekuperator 10 dazu benutzt werden kann, weitere Gasmengen vorzuheizen. Die heißen Abgase werden im unteren Bereich des Rekuperators durch den Einlaßstutzen 35 eingeführt und strömen in das mit der Verkleidung 37 versehene innere Wandstück 34· und dann nach oben innerhalb des Stutzens 17» an dessen oberen Ende sie aus dem Rekuperator austreten* Da der Stutzen 17 aus einem Metall oder einer Metall-Legierung besteht, findet ein Wärmeaustausch zwischen den heißen Abgasen im Inneren des Stutzens 17 und dem in dem Durchlaß 25 strömenden, vorzuwärmenden Gas statt.

Der statische Druck des heißen Gases im Inneren des Stutzens 17 entspricht, ob die Strömungsgeschwindigkeit dieses Gases groß oder klein ist, im wesentlichen dem Atmosphärendruck, da der Stutzen 17 an seinen oberen Ende zur Atmosphäre hin offen ist. Der statische Druck in dem vorgewärmten Gas auf der Außenseite des Stutzens 17 wird normalerweise ein tiberdruck sein, der aus dem Rüokdrucfc resultiert, der auf das Gas von dem zu speisenden. System, wie beispielsweise den Brennern eines Ofens, ausgeübt wird. Dieser Rückdruck wird mit der Gasströmungsmenge variieren. Ist der Rückdruck in dem vorgeheizten Gas gleich null, werden die Flüssigkeitsspiegel sich in den mit den Bezugsziffern 57 und 59 gekennzeichneten Stellungen befinden* Die beiden Flüssigkeitsspiegel werden somit im wesentlichen dem Flüssigkeitsspiegel 55 in dem Flüssigkeitsspeicher 45 entsprechen, wenn von der Ausführungsform nach Fig. 2 ausgegangen wird.

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Wächst der Sückdruck auf das vorgewärmte Gas über Mull an, wird der Flüssigkeitsspiegel 59 wie mit 'Bezugsziffer 60 gekennzeichnet absinken, während die Flüssigkeitsspiegel 55 und 57 infolge des Leitungsrohres 57 im wesentlichen die gleiche Höhe beibehalten. Auf diese »Veise geschieht eine Kompensation der Druckunterschiede zwischen der Innenseite des Stutzens 17 und dem Durchlaß 25".

Die Flüssigkeit in dem Becken 63 wird zweckmäßig nicht überhitzt, da sie sonst zum Kochen kommt, was ihre Wirksamkeit beeinträchtigt und die Hinzufügung von Viasserdampf zu dem vorgewärmten Gas, das durch den Auslaßstutzen 33 abgeleitet wird, bewirken würde. Das innere, mit der Verkleidung 37 versehene »/endstück 34-, das sich beträchtlich über den Wasserspiegel 57 in dem Becken 43 hinaus erstreckt, kann dabei in vorteilhafter Weise als Wärmeschutzwand dienen, um den Bereich des Stutzens 17 vor direkter Wärmestrahlung und direkter Beaufschlagung mit heißen Gasen schützen, der sich unmittelbar oberhalb der vorstehend geschilderten Flüssigkeitsdichtung befindet. Die Eintauchtiefe des unteren Endes des Stutzens 17 in die Flüssigkeit bleibt normalerweise konstant. Diese Merkmale bewirken in vorteilhafter Weise, daß der Stutzen 17 keinem scharfen Wärmegefälle und keinen schweren AbschreckungBeffekten unterliegt. Es versteht sich, daß das mit Flüssigkeit gefüllte Becken A3 die völlig freie Vertikalbeweglichkeit des unteren Endes des Stutzens 17 gewährleistet.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   m\ Rekuperator, mit einem vertikal verlaufenden, oben offenem Gehäuse, einem darin angeordneten, mit dem Gehäuse einen oben geschlossenen Hohlraum bildenden metallischen Stutzen, einem Einlaß für den Stutzen sowie einem Ein- und einem Auslaß für den Hohlraum, gekennzeichnet durch ein mit Flüssigkeit gefülltes Becken (4-3), in das sich das untere Ende des Stutsens (17) erstreckt.
2. 2. Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dar- dem Becken (43) eine Slüssigkeitsspeise- und ffiveau-Regelvorrichtung (45,4-7,49,5%53;61,63,65) zugeordnet ist.
3. 3. Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Becken (43) zumindest teilweise durch den Mantel (11) des Rekuperatorgehäuses (12) und ein sich in den Stutzen (17) erstreckendes inneres Wandstück (34) gebildet ist.
4. 4. Rekuperator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das handstück (34) eine feuerfeste Verkleidung (37) aufweist und soweit in den unteren Bereich des Stutzens (17) geführt ist, daß dieser Stutzenbereich gegenüber dem über eine Einlaßöffnung (38) in das V/andstück (34) und von dort in den Stutzen (17) eingeleiteten heißen Gas geschützt ist.
5. 5· Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) und der Stutzen (17) im wesentlichen zylindrisch sind und das Becken (43) ein Ringraum ist, der von einem !Peil des Gehäusemantels (11), deßi inneren zylindrischen handstück (34) und einem Basisring (41) begrenzt ist.

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   - ίο -
6. 6. Rekuperator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Genäuse (12) eine in sein unteres Ende fließende Basis (36) hat.
7. 7· Rekuperator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Becken (43) über eine Leitung (4-7) mit einem STüssigkeitsspeicher (45) in Verbindung steht, in dem ein Überlaufdamm (49) angeordnet ist.
8. 8. Hekuperator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Becken (43) eine Überlauf leitung (61), die einen Abfluß (65) aufweist, angeordnet ist.

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