DE2413250A1

DE2413250A1 - Strahlungsrekuperator

Info

Publication number: DE2413250A1
Application number: DE2413250A
Authority: DE
Inventors: Theodor Dr Ing Schmidt; Horst Dipl Ing Simon
Original assignee: Ludwig-Ofag-Indugas Ind GmbH
Current assignee: Ludwig-Ofag-Indugas Ind GmbH
Priority date: 1974-03-20
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1975-10-02

Description

Ludwig-Ofag-Indugas.
Industrieofenanlagen GmbH
4j Essen 1, Moltkeplatz' 1

Strahlungsrekuperator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsrekuperator mit zumindest einem Heizgas-Strömungskanal, zumindest einem Aufheizgas-Strömungskanal sowie zwischen Heizgas-StrÖmungskanal und Aufheizgas-Strömungskanal angeordneter, metalll-. scher Heizfläche mit definierter Heizgasflächentemperatur. Strahlungsrekuperator bezeichnet im Rahmen der Erfindung jeden Wärmetauscher, der die Wärme ohne Speicherung unmittelbar durch eine als Heizfläche bezeichnete Trennwand von dem Heizgas auf das Aufheizgas überträgt, gleichgültig wo

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und für welche Zwecke der Strahlungsrekuperator eingesetzt ist/ ob z.B. im Rahmen der Abhitzeverwertung, als Lufterhitzer, bei Industrieöfen oder sogar bei Dampfkesseln bzw. als Dampfkessel. Im Rahmen der Erfindung ist auch unbeachtlich, ob es sich bei dem Strahlungsrekuperator um solche für den Wärmetausch im Gleichstrom, im Gegenstrom oder im Kreuzstrom handelt.

Bei den (auch aus der Praxis) bekannten Strahlungsrekuperatoren der beschriebenen Gattung sind der Heizgas-Strömungskanal sowie der Aufheizgas-Strömungskanal regelmäßig frei von Einbauten, obwohl es bei Wärmetauschern grundsätzlich bekannt ist, mit Strömungsleitflächen zu arbeiten, die den Kontakt zwischen Heizgas bzw. Aufheizgas und pro Zeiteinheit bestrichenen Heizfläche vergrößern. Sind bei einem Strahlungsrekuperator die Eintrittstemperatur des Heizgases sowie die Austrittstemperatur des Aufheizgases hoch, so nimmt auch die Heizfläche eine hohe Temperatur an, die beachtlich über der des Aufheizgases liegt. Das gilt zumindest bereichsweise und der Bereich ist groß, wenn das Aufheizgas vergleichsweise hohe Eintrittstemperaturen aufweist frergl. Schack, Der industrielle Wärmeübergang, Düsseldorf I962, S. 259 - 289, insbes. S. 270 - 279). Aus dieser Tatsache resultieren in der modernen Technik mit hohen ■Verfahrenstemperaturen erhebliche Schwierigkeiten in werksstoffmäßiger Hinsicht. Liegt beispielsweise die Eintrittstemperatur des Heizgases bei 12oo° C so kommt man häufig

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zur Heizflächentemperaturen von über 9°o° C auch dann, wenn für das Aufheizgas eine Austrittstemperatur von nur etwa 6oo° C verlangt wird. Heizflächentemperaturen von 9oo° C lassen sich bei metallischen Heizflächen werkstoffmäßig kaum beherrschen. Umständliche und aufwendige, darüber hinaus zumeist energievernichtende Maßnahmen zur Reduzierung der Eintrittstemperatur des Heizgases sind daher erforderlich, - wenn dieses mit einer zu hohen Temperatur anfällt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsrekuperator so zu gestalten, daß auch bei hoher Eintrittstemperatur des Heizgases und selbst bei hoher Austrittstemperatur des Aufheizgases vergleichsweise niedrige Heizflächentemperatur sich einstellt oder einstellbar ist.

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsrekuperator mit zumindest einem Heizgas-Strömungskanal, zumindest einem Aufheizgas-Strömungskanal sowie zwischen Heizgas-Strömungskanal und Aufheizgas-Strömungskanal angeordneter metallischer Heizfläche mit definierter Heizflächentemperatur. Die Erfindung besteht darin, daß im Aufheizgas-Strömungskanal ein Heizflächenkühlelement in Form eines Drahtnetzes oder in Form mehrerer Drahtnetze oder dergleichen angeordnet ist und die Aufheizgas-Strömungsgeschwindigkeit, bei vorgegebener Eintrittstemperatur von Heizgas und Aufheizgas, auf

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einen gewünschten Wert der Heizflächentemperatur eingestellt oder einstellbar ist. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit ist dabei eine Sache der Auslegung des Strahlungsrekuperators insgesamt. Sie kann auch betriebsmäßig eingestellt werden, sei es durch Schieber oder Ventile, sei es durch Beeinflussung des Gebläses. - Überraschenderweise funktionieren bei Strahlungsrekuperatoren in der beschriebenen Weise angeordnete Drahtnetze als Kühlelemente für die Heizflächen, wenn nur die Strömungsgeschwindigkeit des Aufheizgases hinreichend groß gewählt ist. Im Gegensatz dazu findet man in der herrschenden Baulehre (vergl. Schack l.C.) keine entsprechende Aussage. Wie bereits erwähnt, kann die Strömungsgeschwindigkeit für das Aufheizgas im Aufheizgas-Strömungskanal bei vorgegebener Menge an zu behandelndem Aufheizgas durch Auslegung des Querschnittes des Aufheizgas-Strömungskanals bzw. Auslegung des zugeordneten Gebläses unschwer entsprechend eingestellt werden. Unabhängig davon läßt sich die Austrittstemperatur des Aufheizgases durch Variation der übrigen Parameter des Strahlungsrekuperators im allgemeinen ohne Schwierigkeiten so festlegen, wie es der Prozeß verlangt, irlden der Strahlungsrekuperator integriert ist. Das erfindungsgemäß angeordnete Heizflächenkühlelement steht mit der Heizfläche in Strahlungswechselwirkung. Daher ist es nicht erforderlich, das Heizflächenkühlelement mit der Heizfläche mechanisch zu verbinden, obwohl auch eine solche Verbindung im Rahmen der Erfindung liegt. Das HeizfläGhenkühlelement kann aus einem

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Drahtnetz bestehen oder aus mehreren Drahtnetzen oder dergleichen zusammengesetzt sein. Diese mehreren Drahtnetze oder dergleichen können wiederum ihrerseits miteinander in Verbindung stehen oder auch in Strömungsrichtung des Aufheizgases lediglich aufeinander folgen. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist das Heizflächenkühlelement in Strömungsrichtung des Aufheizgases gewellt angeordnet. Zu sehr ausgeprägten Ergebnissen kommt man, wenn das Heizflächenkühlelement aus Drähten eines Durchmessers von etwa 0,5 - 3 mm, vorzugsweise 1-2 mm, aufgebaut ist und die Drähte im Webverband oder im Wirkverband stehen. Unter Webverband werden die in der Webtechnik üblichen Bindungen bezeichnet, unter Wirkverband"die in der Wirktechnik üblichen. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die Drahtnetze oder dergleichen.so orientiert, daß sie in eine Projektion auf die zu kühlende Heizfläche gleichsam eine geschlossene Fläche darstellen, die Maschen also verschwinden. Das optimiert einerseits die Strahlungswechselwirkung, ist aber auch strömungstechnisch in bezug auf den turbulenzabhängigen konvektiven Wärmeübergang vorteilhaft. Stets ist bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsrekuperator der auf der Anordnung des HeizflächenkühleIementes bzw. der Heizflächenkühlelemente beruhende Druckverlust klein. Das liegt an dem geringen Strömungswiderstand, den ein Drahtnetz oder dergleichen in einer Gasströmung hervorruft, obwohl an den Drähten eine gleichsam

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mikroskopische Turbulenz entsteht, die sich der makroskopischen Strömung überlagert und den Wärmeübergang durch Konvektion verbessert. Jedenfalls läßt sich die Maschenweite so einstellen, daß der Strömungswiderstand klein ist. Gleichgültig ist im Rahmen der Erfindung, ob der Strahlungsrekuperator insgesamt für laminare oder für turbulente Strömung ausgelegt ist. Im allgemeinen soll die Maschenweite bei ... liegen. Das Heizflachenkühlelement funktioniert bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsrekuperator also nicht als Leitfläche für die Strömung. Besonders ausgeprägt ist der angestrebte Effekt, wenn das Heizflachenkühlelement in der Mehrzahl vom Aufheizgas quer angeströmte Drähte aufweist. So kommt man im übrigen zu einer zusätzlichen und überraschenden Verbesserung des Wärmeüberganges. Grundsätzlich ist es bekannt, in Strömungskanälen bei Industrieöfen zum Zwecke der Verbesserung des Wärmeüberganges Drahtnetze anzuordnen (vergl. DT-PS 1 2o6 933)· Das hat jedoch die Probleme um die Reduzierung der Heizflächentemperatur bei Strahlungsrekuperatoren der eingangs beschriebenen Gattung nicht beeinflußt, zumal der zur Erfindung gehörende Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit des Aufheizgases nicht erkannt wurde. Die Drähte, aus denen bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsrekuperator das Heizflachenkühlelement aufgebaut ist, sind im allgemeinen metallische, im Aufheizgas korrosionsfeste Drähte aus austenitischem Stahl. Man kann aber auch mit Quarz-

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drähten oder keramischen Werkstoffen arbeiten. - Bauteile, ■die ähnlich gestaltet sind wie Drahtnetze, z. B. Siebe, führen zu gleichen Effekten und fallen unter den Schutz.

Die erreichten Vorteile sind zusammengefaßt darin zu sehen, daß bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsrekuperator die Heizflächentemperatur beachtlich reduziert ist, ohne daß in bezug auf den Wirkungsgrad oder in bezug auf die Austrittstemperatur des Aufheizgases irgendwelche Nachteile in Kauf genommen werden müßten. Man kann sogar, ohne Werkstoffproblem für die Heizflächen, die Austrittstemperatur beachtlich erhöhen. Die Erfindung liefert mit dem Heizflächenkühlelement einen neuen Parameter für die Auslegung und Gestaltung eines Strahlungsrekuperators. Die Betriebsverhältnisse für einen erfindungsgetnäßen Strahlungsrekuperator lassen sich damit so wählen, daß auch bei hoher Eintrittstemperatur des Aufheizgases für die Heizfläche ein Werkstoff eingesetzt werden kann, der die auftretenden Temperaturen ohne weiteres aufnimmt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert, es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Strahlungsrekuperator, und zwar in Richtung A-A des Gegenstandes der Fig. 2

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Pig. 2 eine Aufsicht auf den Gegenstand nach Pig. I und

Fig. 3> den vergrößerten Ausschnitt B aus dem Gegenstand nach Fig. 2.

Der in den Figuren dargestellte Strahlungsrekuperator 1 besitzt einen Heizgas-Strömungskanal 2 und einen Aufheizgas-Strömungskanal 3· Zwischen Heizgas-Strömungskanal 2 und Aufheizgas-Strömungskanal 3 befindet sich eine metallische Heizfläche 4·. Im Ausführungsbeispiel, aber nicht beschränkend, ist der Heizgas-Strömungskanal 2 ein kreisrundes Rohr, Der Aufheizgas-Strömungskanal 3 ist durch den Ringraum zwischen diesem Rohr und einer umgebenden Wandung 5 definiert, deren Funktion im Ausführungsbeispiel dahingestellt bleibt. Man erkennt im Aufheizgas-Strömungskanal 3 ein Heizflächenkuhlelement 6 in Form eines Drahtnetzes. Im übrigen ist die Aufheizgas-Strömungsgeschwindigkeit, deren Strömungsrichtung durch den Pfeil 7 angezeigt ist, bei vorgegebener Eintrittstemperatur von Heizgas oder Aufheizgas, so gewählt, daß sich eine verhältnismäßig niedrige Heizflächentemperatur einstellt. - Im Ausführungsbeispiel mag das Heizgas eine Eintrittstemperatur von lo5o°C aufweisen. Das Aufheizgas trete mit einer Temperatur von 2o° C, weit vor dem in der Zeichnung dargestellten Ausschnitt, in den Aufheizgas-Strömungskanal 3 ein. Es ver-

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läßt diesen mit einer Austrittstemperatur von 85o° C. Dann stellt sich bei dem dargestellten Strahlungsrekuperator beispielsweise eine Heizflächentemperatur von im Mittel 6oo° C ein.

Im Ausführungsbeispiel ist das Heizflächenkühlelement 6 in Strömungsrichtung 7 des Aufheizgases gewellt angeordnet. Tatsächlich handelt es sich um ein harmonikabalgartiges Element, dessen Wellungen 8, die in der Fig. 1 geschnitten erscheinen, also umlaufen. Dieses Heizflächenkühlelement 6 besteht aus Drähten 9* Io eines. Durchmessers von 1-2 mm, wobei die Drähte 9, Io im Ausführungsbeispiel im Webverband angeordnet sind. Sie könnten aber auch im Wirkverband angeordnet sein. Jedenfalls ist im Ausführungsbeispiel die Anordnung so getroffen, daß das Heizflächenkühlelement 6 in der Mehrzahl aus vom Aufheizgas quer angeströmten Drähten 9$ Io besteht. Diese wiederum bestehen aus im Aufheizgas korrosionsfestem, austenitischem Stahl*

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Claims

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Patentansprüche :

IJ Strahlungsrekuperator mit zumindest einem Heizgas-Strömungskanal, zumindest einem Aufheizgas-Strömungskanal sowie zwischen Heizgas-Strömungskanal und Aufheizgas-Strömungskanal angeordneter metallischer Heizfläche mit definierter Heizflächentemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufheizgas-Strömungskanal (3) ein Heizflächenkühlelement (6) in Form eines oder mehrerer Drahtnetze oder dergleichen angeordnet ist und die Aufheizgas-Strömungsgeschwindigkeit, bei vorgegebener Eintrittstemperatur von Heizgas und Aufheizgas, auf einen gewünschten Wert der Heizflächentemperatur eingestellt oder einstellbar ist.
2. Strahlungsrekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizf-lächenkühlelement (6) in Strömungsrichtung (7) des Aufheizgases gewellt angeordnet ist.
3. Strahlungsrekuperator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizflächenkühlelement (6) aus Drähten (9, lo) eines Durchmessers von etwa o,5 - 3 mm, vorzugsweise von 1-2 mm, aufgebaut ist und die Drähte in Webverband oder Wirkverband gebracht sind.

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4. Strahlungsrekuperator nach den Ansprüchen 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizflächenkühlelement (6) in der Mehrzahl vom Aufheizgas quer angeströmte
Drähte (9, Io) aufweist.
5. Strahlungsrekuperator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (9, lo) aus im Aufheizgas korrosionsfestem, austenitischem Stahl bestehen.

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