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GASBEHEIZTER STRAHLUNGSERHITZER Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf gasbeheizte Röhrenerhitzer für Ofen zur Wärmebehandlung und chemi-Behandlun
von Metall in überwacht er Atmosphäre, insbesondere auf Strahlungssackrohre.
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Es ist ein Strahlungssackrohr bekannt, welches in koaxialer Anordnung
ein zentrales Brennstoffrohr, ein zwischen diesem und dem Aussenrohr liegendes,
gelochtes Luft rohr und ein aussenliegendes Strahlungsrohr sowie eine Gasbrenneinrichtung
enthält. Die letztere befindet sich an der Stirnseite des aussenliegenden Strahlungsrohrs
(s.US -Patente 3187740 und 3220401).
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Die bekannte Konstruktion des gasbeheizten sackförmigen Strahlungsrohrs
besitzt eine Reihe von wesentlichen Nachteilen.
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So erlaubt beispielsweise die Konstruktion der Gasbrenneinrichtung,
die in Form eines Mischkegels am Ende des Brennstoff- und des Luftrohrs ausgeführt
ist, nicht, den Spalt zwischen diesen wesentlich zu vermindern.
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keine Es ist Abführung eines Teils der Luft über die Stirnfläche
des Luftrohrs vorgesehen, wodurch das Luftrohr auf seiner ganzen Länge und besonders
am stirnseitigen Teil weniger wirksam gekühlt wird.
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Ausserdem besitzt die Gasbrenneinrichtung nur axiale Oeffnungen für
den Brennstoffaustritt, was zu einer intensiven Russablagerung am Luftrohr führt.
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Ein gleichmässiges Bohren von Öffnungen auf der ganzen Länge des Luftrohrs
gewährleistet kein glqichmässiges Erhitzen des aussenliegenden Strahlungsrohrs,
wobei das Verhältnis der Höchst- zur Mindeettemperatur gleich 1,2 zu 1,3 ist, was
beim Einsatz von Strahlungsrohren in Vergütungsöfen unzulässig ist.
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Die Warme der aus strömenden Rauchgase wird nicht wiedergewonnen,
was der Grund dafür ist, dass der Wirkungsgrad des Strnhlungsrohre auf mehr als
45 bis 50% nicht erhöht werden kann.
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Zum Beseitigen der obenerwähnten Nachteile wurde von Erfindern den
ein, gasbeheiztes Strahlungssackrohr vorgeschlagen (UdsSR-Urhebe'rschein Nr. 251743),
welches nachstehende, koaxial angeordnete Elemente enthält: einen aussenliegenden
arm'eatrahIungskörper und ein Luftleitungsrohr, zwischen
deren Wänden
eine Brennkammer gebildet ist, ein zentrales Gasrohr, welches einen gasförmigen
Brennstoff in die Brennkammer leitet, wobei das Luftleitungsrohr an seinem Ende
eben gelochten Boden besitzt, der vom Boden des Wärmestrahlungskörpers etwas absteht,
einen gelochten Abschnitt an seinen Seitenwänden für den Durchgang des Luftstroms,
der vom äusseren Ende des Luftleitungsrohrs her in die Brennkammer gepumpt wird,
und einen Rekuperator, der in der Nachbarschaft mit dem gelochten Abschnitt in der
Zone, in der die Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer austreten, angeordnet
ist.
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Es ist ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Strahlungsrohrkonstruktion,
dass das zentrale Brennstoffrohr und das in ihm befindliche Gas am geschlossenen
Ende des auss enli egenden Strahlungsrohrs unerwünschterweise auf eine Temperatur,
die in der Nähe der Temperatur der Strahlungsfläche liegt, erhitzt werden.
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Die Folge hiervon ist, dass das Naturgas thermisch zerlegt wird und
dass sich das zentrale Brennstoffrohr mit ungebundenem Kohlenstoff verstopft.
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Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere und hochwirksame
Konstruktion eines gasbeheizten Strahlungserhitzers durch Verbesserung der Kühlung
des zentralen Brennstoffrohrs zu schaffen, wobei das Ausfallen von
Russ
indieSeierhindert wird.
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Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der gasbeheizte Strahlungserhitzer,
der koaxial angeordnete Elemente und zwar einen aussenliegenden Wärmestrahlungskörper
und ein Luftleitungsrohr, zwischen deren Wänden eine Brennkammer gebildet ist, ein
Zentralrohr für einen gasförmigen Brennstoff, welches den gasförmigen *Brennstoff
in die Brennkammer leitet, wobei das Luftleitungsrohr an seinem Ende einen gelochten
Boden besitzt, der vom Boden des Wärmestrahlungskörpers etwas absteht, Lochungen
in den Seitenwänden für den Durchgang des Luftstroms durch sie, der vom äusseren
Ende des Luftleitungsrohrs her in die Brennkammer gepresst wird, und einen sich
am gelochten Abschnitt anschliesnenden Rekuperator, der sich am Austritt der Verbrennungsprodukte
aus der Brennkammer befindet , enthält, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftleitungsrohr
ein Kanal für die Luftleitung ausgeführt ist, wobei die vpm Aussenende her eingepresste
Luft zuerst längs des Zentralrohrs für den gasförmigen Brennstoff bis zum Boden
des Luftleitungsrohrs und dann in umgekehrter Richtung langs der gelochten Wände
des Luftleitungsrohrs strömt.
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Diese Vervollkommnung ermöglicht, das zentrale Gasrohr durch den
Ausgangsstrom der zu erwärmenden Luft wirksamer zu kühlen.
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Entsprechen einer Abwandlung zeichnet sich
der erfindungsgemässe
gasbeheizte Strahlungserhitzer ausserdem noch dadurch aus, dass im Innenraum des
Luftleitungsrohrs zwischen seinen gelochten Wänden und dem Zentralrohr für den gasförmigen
Brennstoff koaxial zu ihnen eine dazwischen liegende, rohrförmige Trennwand vores
gesehen ist, deren ein Ende offen ist und etwas vom Boden des Luftleitungsrohrs
absteht, damit die Luft aus dem Hohlraum innerhalb der Trennwand zu den gelochten
Wänden strömen kann, während das andere Ende zum Einpressen des Ausgangsluftstroms
in den Hohlraum der rohrförmigen Trennwand offen und an das Luftleitungsrohr dicht
angeschlossen ist, um in diesem Abschnitt den Raum zwischen dieser Trennwand und
den gelochten Wänden zu überdecken.
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Diese technische Lösung ermöglicht es, mit einfachen konstruktiven
Mitteln die durchmitder Erfindung vorgeschlagene Umlenkung des Ausgangsluftstroms
um 1800 am Boden des Luftleitungsrohrs zu verwirklichen.
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Es wird, um ein Einsaugen von Brenngas in die Luft leitung zu vermeiden,
der Abstand unteren Ende der röhrenförmigen Trennwand und der ersten Reihe der ffnunvorteilhaft
entsprechend gen im Luftleitungsrohr# #folgender Ungleichung gewählt:
wobei: t Abstand von der ersten Offnungsreihe bis zum Ende der
röhrenförmigen Trennwand, dl Innendurchmesser des Luftleitungsrohrs und: d2 Aussendurchmesser
der röhrenförmigen Trennwand sind.
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Eine derartige konstruktive Ausführung verhindert ein unerwünschtes
Einsaugen von Verbrennungsprodukten aus der ßrennkammer in den Hohlraum des Luftleitungsrohrs
und<folg-<#> lichimacht ein Uberhitzen der röhrenförmigen Trennwand und
des zentralen Gasrohrs unmöglich.
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Das Zentralrohr für gasförmigen Brennstoff besitzt, um das Ausfallen
von Russ in seinem Volumen zu verhindern und auch um seine Erhitzung zu vermindern,
einen Durchmesser, der der nicht grösser als 0,0+ d ist, wobei dH Aussendurchmes-H
ser des aussenliegenden Wärmestrahlungskörpers ist.
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Schliesslich ist gemäss der vorliegenden Erfindung der Abstand zwischen
dem aussenliegenden Wärmestrahlungskörper und dem Luftleitungsrohr höchstens gleich
dem 7fachen Durchmesser der Offnungen, die im gelochten Wandabschnitt des Luftleitungsrohrs
ausgeführt sind.
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Eine solche Ausführung der Erfindung ermöglicht es, den Wärmeaustausch
in der Brennkammer zu intensivieren und als Folge hiervon die Temperatur in ihr
zu senken sowie die Köglicnkeit eines Überhitzens von innenliegenden Elementen zu
vermindern.
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Somit besitzt der erfindungsgemässe gasbeheizte Strahlungserhitzer
eine erhöhte Betriebssicherheit, die durch effektives Kühlen des zentralen Brennstoffrohrs
erzielt wird. ¢ Die vorliegende Erfindung vird nun anhand von Ausführungsbeispielen
unter 3bezug~ 21 auf die beiliegende Zeichnung erläutert, auf der ein eines Schnitt
durch die Konstruktion gemäss der vorliegenden Erfindung ausgeführten, gasbeheizten
Strahlungserhitzers abgebildet ist.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht der gasbeheizte Strahlungserhitzer
aus koaxial liegenden Elementen, und zwar aus einem aussenliegenden Strahlungskörper
1, einem Luftleitungsrohr 2 mit einem Rekuperator 3 und einem gelochtem Abschnitt
4, aus einer dazwischenliegenden rohrförmigen Trennwand 5 sowie einem Zentralrohr
6 für gasförmigen Brennstoff. An der Stelle, wo das Luft leitungsrohr 2 in den Rekuperator
3 und den gelochten Abschnitt 4 unterteilt ist, befindet sich ein Ring 7, welcher
einen Ringkanal 8 zwischen der rohrförmigen Trennwand 5 und dem gelochten Abschnitt
4 des Luftleitungsrohrs 2 überdeckt. Längs des gelochten Abschnitts 4 des Luftleitungarohrs
2 sind auf bestimmte Weise Offnungen 9 für die Luft gebohrt. Der Unterteil des gelochten
Abschnitts 4 des Luftleitungsrohrs 2 ist durch einen mit Offnungen versehenen Boden
10 abgeschlossen. Im Raum zwischen dem aussenliegenden
Wärmestrahlungskörper
1 und dem Luftleitungsrohr 2 ist eine Brennkammer 11 gebildet.
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Das gasbeheizte Strahlungsrohr arbeitet folgendermassein.
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Die in den gasbeheizten Strahlungserhitzer eingepresste Luft strömt
durch den Rekuperator 3 des Luftleitungsrohrs 2, wird (Je nach der Leistungsfähigkeit
des Erhitzers) auf 400 bis 7000C erhitzt und gelangt in einen Ringkanal, welcher
durch das Zentralrohr 6 für gasförmigen Brennstoff und die rohrförmige Trennwand
5 gebildet wird.
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Ein Teil der Luft strömt huber die Öffnungen 9 im Boden 10 aus, während
der Rest, nachdem er um 1800 umgelenkt ist, in den Ringkanal 8 zwischen der rohrförmigen
Trennwand 5 und dem gelochten Abschnitt 4 des Luftleitungsrohrs 2 gelangt, wo er
sich auf die Öffnungen 9 verteilt.
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Der Verbrennungsproduktestrom, der sich von der geschlossenen Stirnseite
des aussenliegenden Wärmestrahlungskörpers 1 zum Austritt hin bewegt, wird von zahlreichen
Luftstrahlen durchdrungen, wodurch ein intensives Mischen und Brennen gewährleistet
wird.
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Das Zentralrohr 6 für gasförmigen Brennstoff wird dadurch effektiv
gekühlt, dass die gesamte Luft es umspült und erst hiernach beginnt, sich auf die
Öffnungen 9 des gelochten Abschnitts 4 des Luftleitungsrohrs 2 zu verteilen. Ausserdem
vermindert die rohrförmige Trennwand 5 den Strahlungsstrom des Luftleitungsrohrs
2,
der auf das Zentralrohr 6 für gasförmigen Brennstoff einwirkt um fast die Hälfte.
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Gemäss Versuchswerten (I.L. Powch, "Aerodynamischer Versuch im Maschinenbau",
Moskau-Leningrad, 1965) sind die Druckverluste beim Umlenken der Luft um 1800 (s.
Zeichnung) gleich dem vierfachen dynamischen Druck, was einer Verengung des Strömungsquerschnitts
auf die Hälfte entspricht Diese Strömungsverengung entsteht infolge einer Abreisszone
in der Nähe der röhrenförmigen Trennwand 5 direkt hinter der Umlenkung. Die Querschnittsfläche
der Abreisszone ist gleich der Hälfte des Gesamtquerschnitts des Ringkanals 8: g
f = 0,5 wobei fz - Querschnittsfläche der Abreisszone, f - Querschnittsfläche des
Ringkanals 8* sind.
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Wenn die Höhe der Abreisszone gleich hz angenommen wird, so ist
wobei d1 Innendurchmesser des dazwischenliegenden Luftrohrs und d2 Aussendurchmesser
der röhrenförmigen Trennwand.
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sind.
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Hieraus folgt
Die Untersuchung von Abreisszonen (G.N. Abramowitsch, "Theorie turbulenter Strahlen",
Phy'smathverlag, 1960) hat gezeigt, dass das Längsmaß (lz) der Abreisszone ungefahr
6mal grösser als das Quermass (h ist. Folglich wird lz # 6hz - 2,1
- 3d2.
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Auf Grund von Versuchswerten, die im Ringkanal & eines gasbeheizten
Strahlungserhitzers mit einem Durchmesser des aussenliegenden Strahlungskörpers
von 180 mm (d1 = 92 mm, d2 = 63 mm) erhalten wurden, wurde ein negativer statischer
Druck im Ringkanal 8 in einem bis 25 mm betragenden Abstand vom Ende der röhrenförmigen
Trennwand 5 beobachtet. Folglich hat das Vorhandensein von Öffnungen 9 in dieser
Zone des gelochten Abschnitts 4 das Eindringen von brennbaren Bestandteilen in den
Ringkanal 8 zur Folge, deren Verbrennung ein Überhitzen (Durchbrennen) der röhrenförmigen
Trennwand 5 und des Zentralrohrs 6 für gasförmigen Brennstoff hervorruft.
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Bei der Berechnung der obenangeführten Formel der Abreisszonenlänge
( t>z) wird ein Masts von 46 mm erhalten, wobei die Zone mit negativem Druck
{. ) gleich der Hälfte der gesamten Abreisazone ist:
Das Fehlen von Offnungen in dieser Zone verhindert ein Einsaugen
von brennbaren Bestandteilen in den Ringkanal.
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Die Wahl des optimalen Durchmessers des Zentralrohrs 6 für gasförmigen
Brennstoff wird auf Grund folgender t;berlegungen durchgeführt.
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Die in das Strahlungsrohr strömende Gasmenge wird einerseits durch
die Bedingungen des äusseren Wärmeaustauschs
und andernseits durch die Bedingung der Gasbewegung im Zentralrohr fur gasförmigen
Brennstoff Bg = 0,785 . l . d2 . 3600 bestimmt, wobei Bg - Gasdurchströmmenge, q
- Wärmeleistung des Strahlungserhitzers in kcal/m2.h, t - Länge des Strahlungserhitzers-Arbeitsteils
in m? d - Aussendurchmesser des aussenliegenden Wårmestrahlungskörpers in m, d -
Innendurchmesser des Zentralrohrs für gasförmigen Brennstoff in m,
Qp
- Heizwert des Brennstoffs, in kcal/m³, a f - Verweilzeit des Brennstoffs im Zentralrohr
für gasförmigen Brennstoff in sek.
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E - Wirkungsgrad des Strahlungserhitzers (-0,7) sind.
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Orientierungsweise wird die minimale Warmeleistung der Strahlungserhitzer
gleich 8000 kcal angenommen.
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Durch experimentelle Sonderuntersuchungen wurde festgestellt, dass
für jede Temperatur der Wand des Zentralrohrs für gasförmigen Brennstoff eine bestimmte
Minimalzeit besteht, während welcher der Brennstoff in ihm verweilt und die Reaktionen
der thermischen Zerlegung des Brennstoffs ohne Ausscheiden von ungebundenem Kohlenstoff
(in Form von Russ im Rohrraum) beendet werden. Danach ist bei einer Wandtemperatur
von 8500 die minimale zulässige Verweilzeit von Naturgas im zentralen Brennstoffrohr
gleich 0,5 sek.
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Hieraus folgt, dass der optimale Innendurchmesser des zentralen Brennstoffrohrs
durch folgendes Verhältnis bestimmt wird:
oder
woraus wiederum folgt:
Auf diese Weise wird, um das Ausfallen von ungebundenem Kohlenstoff (Russ) im Zentralrohr
für gasförmigen Brennstoff au verhindern, dessen Innendurchmesser auf Grund der
Ungleichung d < 0,03
gewählt.
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Die Breite der Brennkammer, welche durch den aussenliegenden Wärmestrahlungskörper
1 und den gelochten Abschnitt 4 des Luftleitungsrohrs 2 gebildet wird, hat einen
wesentlichen Einfluss auf den Wärmeaustausch. Experimentell wurde nachgewiesen,
dass bei einer Breite der Brennkammer I1 iis zu 7 Durchmessern der für den Luftdurchstrom
bestimmten Offnungen 9 der gelochte Abschnitt 4 nicht überhitzt wird. Beim Vergrössern
der Breite der Brennkammer 11 wird die Wärmeabgabe durch die Flammen geringer, die
Temperatur in der Brennkammer steigt und als Folge hiervon wird die Temperatur des
Luftleitungsrohrs und hierdurch des Zentralrohrs 5 für gasförmigen Brennstoff erhöht.
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Unter Inbetrachtnahme der aufgezählten Bedingungen kann der gasbehei
zt e Strahlungserhit zer betriebssicher bei Wärmevorgängen mit einer Ofenraumtemperatur
bis 9500C eingesetzt werden.