DE2536657B2

DE2536657B2 - Wärmeaustauscher zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für insbesondere ölbeheizte Industrieöfen

Info

Publication number: DE2536657B2
Application number: DE2536657A
Authority: DE
Inventors: Aake Kristian Hofors Persson (Schweden)
Original assignee: SKF Kugellagerfabriken GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1974-08-27
Filing date: 1975-08-16
Publication date: 1978-07-20
Also published as: SE7410823L; JPS5150050A; SE394216B; DE2536657C3; GB1506484A; FR2283411A1; FR2283411B1; DE2536657A1; JPS54175650U

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für insbesondere ölbeheizte Industrieöfen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein großes Problem bei derart verwendeten Wärmetauschern ist die hierbei auftretende unerwünschte Korrosion. Sie tritt besonders an denjenigen Teilen des Wärmetauschers auf, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind und die gleichzeitig mit den Abgasen des Ofens in Berührung kommen. Bei Temperaturen über etwa 600° C korrodieren die metallischen Flächen ziemlich rasch, was vorwiegend auf die im Abgas enthaltenen Schwefel-, Vanadium- und Alkalioxide zurückzuführen ist. Die Gefahr einer Korrosion ist ferner dann groß, wenn die Temperatur der metallischen Flächen unter etwa 150° C absinkt, was vorwiegend von der Ausfällung saurer Alkalisulfate an den Wärmeaustauschflächen herrührt. Diese Korrosions produkte sind außerdem klebrig und können zu einer Verstopfung der Gaskanäle führen.

Das genannte Problem tritt insbesondere bei Wärmetauschern auf, die nach dem Gegenstromprinzip arbeiten. Da jedoch die Wärmeausnutzung bei der Anwendung des Gegenstromprinzips wesentlich besser ist als bei der Anwendung des weniger kritischen Gleichstromprinzips, wird das Gegenstromprinzip vielfach bevorzugt.

Bei einem bekannten, im wesentlichen nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Wärmetauscher der eingangs angegebenen Gattung (CH-PS 2 88 254), sind bereits drei miteinander verbundene Kammern unterschiedlicher Größe vorgesehen, die von dem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt werden. Die größte dieser Kammern hat die Form eines langgestreckten Ringraums, in dem die Rohrbündel untergebracht sind,

ίο wogegen die beiden anderen, kleineren Kammern keine Rohrbündel aufweisen. Diese kleineren, ebenfalls als Ringräume ausgebildeten Kammern, welche hintereinander angeordnet und durch ein quer verlaufendes Leitblech voneinander getrennt sind und den langgestreckten Ringraum etwa im Verhältnis 2 :1 umgeben, haben jeweils einen Stutzen für die Zu- bzw. Abfuhr des wärmeaufnehmenden Mediums. Bei diesem Wärmetauscher strömt das kalte Medium zuerst in die größere, den langgestreckten Ringraum umgebende Kammer und wird dort zur Kühlung des Außenmantels des Wärmetauschers benutzt, und gelangt dann nach dem Gegenstromprinzip über die Kammer mit den Rohrbündeln zu der mit dem Auslaß verbundenen kleineren Kammer, welche als Sammelraum für das erwärmte Medium dient.

Ferner sind zur Verringerung der Gefahr einer sogenannten Hochtemperaturkorrosion im langgestreckten Ringraum besondere Blecheinsätze vorgesehen, die den sogenannten hydraulischen Radius der außerhalb der Heizrohre liegenden Strömungswege für das wärmeaufnehmende kalte Medium verringern sollen. Die Wärmeausnutzung eines derartigen Wärmetauschers ist jedoch nicht optimal, und durch die vorgesehenen Blecheinsätze erhält dieser einen relativ komplizierten Aufbau.

Zur Verringerung der Gefahr einer Hochtemperaturkorrosion und zur gleichzeitigen Erzielung eines Wärmetauschers mit relativ geringen Abmessungen und zufriedenstellender Wärmeausnutzung ist es ferner bereits bekannt, sowohl das Gleich- als auch das Gegenstromprinzip — gegebenenfalls sogar kombiniert mit dem Querstromprinzip — in ein und demselben Wärmetauscher zu verwenden. Der Einlaß für das kalte Medium ist dabei an den Einlaß für das warme Medium angrenzend angeordnet, wo ein erster Wärmeübertragungsteil vorgesehen ist. Nach dem Durchgang durch diesen Teil wird das kalte Medium zu einem an den Auslaß für das warme Medium angrenzenden Bereich geleitet, wo ein zweiter Wärmeübertragungsteil angeordnet ist, der im wesentlichen nach dem Gleichstromprinzip arbeitet. Dieser Teil erstreckt sich im allgemeinen bis zu dem ersten Teil.

Verschiedene Ausführungen von Wärmetauschern der zuletzt angegebenen Art sind beispielsweise in der US-PS 16 73 418 und in der DE-AS 15 51 553 beschrieben. Den in diesen Druckschriften beschriebenen Einrichtungen ist dabei gemeinsam, daß diese ebenfalls relativ komplizierte Organe haben, mit denen die gewünschte Strömung des die Durchflußrohre umgebenen Mediums — das vorzugsweise das kalte Medium ist — erreicht wird, und daß dieses Medium zudem über lange Strecken ohne Berührung mit den Wänden der Durchflußrohre strömt. Letzteres hat zur Folge, daß die Wärmenusnützung dieser Einrichtungen im Verhältnis zu ihrer Größe ziemlich gering ist. Ferner strömt nur ein Teil des die Durchflußrohre umgebenden Mediums am heißesten Teil derselben vorbei, was insbesondere dann nachteilig sein kann, wenn sich die Menge dieses

Mediums verringert, so daß die Strömungsverhältnisse für das kalte Medium schlechter werden. Die Folge davon ist wiederum eine Überhitzung im ersten Wärmeübertragungsteil. Im zweiten Wärmeübertragungsteil kann dafür ferner entweder das kalte Medium eine höhere Temperatur als vorgesehen erreichen, was möglicherweise zu einer Hochtemperaturkorrosion führt, oder das warme Medium kann sich zu sehr abkühlen, was dann zu einer sogenannten Niedrigtem peraturkorrosion führt Ferner erhöht sich dadurch die Gefahr einer Verstopfung der Rohre.

Schließlich ist es bekannt, mit Hilfe von auf der Außenseite der Durchflußrohre angeordneten radialen oder axialen Flanschen die Strömung des die Rohre umgebenden Mediums so zu steuern, daß sowohl Gleich- als auch Gegenstromabschnitte gebildet sind, wobei die gesamte Menge dieses Mediums die verschiedenen Abschnitte des Wärmetauschers durchströmt Eine Einrichtung dieser Art ist z. B. in der DE-PS 10 50 489 gezeigt, insbesondere in Fig.6. Durch eine derartige Konstruktion erhält der Wärmetauscher zwar einen ziemlich kompakten Aufbau, der aber durch die relativ komplizierte Ausbildung der Rohre erkauft werden muß. Hinzu kommt, daß die Montage derartiger Rohre eine große Präzision erfordert Zusätzlich erfordern etwaige Änderungen der Strömungsverhältnisse des kalten Mediums einen völligen Umbau des gesamten Wärmetauschers.

Ausgehend von einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber diesem einfacher aufgebauten, betriebssicheren Wärmetauscher zum Vorwärmen insbesondere von Verbrennungsluft für ölbeheizte Industrieöfen mittels deren eigenen Abgasen zu schaffen, der trotz seines einfacheren Aufbaus eine relativ hohe Wärmeausnutzung ermöglicht und bei dem die Gefahr einer Hoch- oder Niedrigtemperaturkorrosion nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die zwei hintereinander angeordneten Kammern ein durch das quer verlaufende Leitblech hindurchgreifendes Rohrbündel verläuft und daß die Stutzen in der Nähe des quer verlaufenden Leitbleches angeordnet sind.

Bei einem derart aufgebauten Wärmetauscher durchströmt vorteilhaft das gesamte vorzuwärmende Medium zuerst eine erste Kammer nach dem Gegenstrom-, dann eine zweite Kammer nach dem Gleichstrom- und schließlich eine driite Kammer wiederum nach dem Gegenstromprinzip, wobei gleichzeitig durch die Heizrohre jeder Kammer ungefähr nur die Hälfte der vorhandenen Heizgasmenge strömt. Durch eine derartige Führung des vorzuwärmenden Mediums wird in einfacher Weise im wesentlichen eine Überhitzung der Rohre vermieden und gleichzeitig eine optimale Wärmeausnutzung erhalten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand von in der Zeichnung schsmatisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschers und

F i g. 2 und 3 einen Längs- bzw. einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Wärmetauschers.

Der in F i g. 1 gezeigte Wärmetauscher hat einen hohlzylinderförmigen Außenmantel 1 mit konisch ausgebildeten Endabschnitten und einen Innenraum 2. in dem sich mehrere Durchflußrohre 3, 4 befinden, wobei die Durchflußrohre 3 ein erstes und die Durchflußrohre 4 ein zweites Rohrbündel bilden. Die Durchflußrohre 3, 4 stehen mit ihrem einen Ende mit einem Einlaß 5 in Verbindung, durch den ein Medium strömt das im folgenden als das wärmeabgebende Medium in Form von Abgasen angenommen wird. Mit ihrem anderen Ende stehen die Rohre 3, 4 mit einem Auslaß 6 in Verbindung, durch den das wärmeabgebende Medium

ίο wieder aus dem Wärmetauscher ausströmt Während des Betriebes durchströmt das genannte Medium die Rohre 3,4 und verteilt sich dabei gleichmäßig auf diese, d. h., die beiden Rohrbündel werden jeweils etwa von der Hälfte der gesamten Abgasmenge durchströmt Die Strömung des wärmeabgebenden Mediums ist durch Pfeile in F i g. 1 angedeutet

Der Innenraum 2 des Außenmantels 1 ist in drei Kammern I, II und III unterteilt, und zwar durch ein sich parallel zum Außenmantel 1 erstreckendes plattenförmiges Leitblech 7 und durch ein quer zu diesem verlaufendes Leitblech 8, das mit dem Außenmantel 1 und dem Leitblech 7 verbunden ist Das Leitblech 7 trennt dabei die Rohre 3 von den übrigen Rohren 4 derart ab, daß die Kammern I und III lediglich im Bereich der Endabschnitte des Leitblechs 7 mit der Kammer II in Verbindung stehen. Das Leitblech 8 ist mit Durchführungslöchern versehen, durch die die Rohre 4 gestreckt sind.

Das die Durchflußrohre 3,4 umgebende Medium, das im folgenden als das wärmeaufnehmende Medium in Form von Luft angenommen wird, wird in den Innenraum 2 durch einen Stutzen 9 eingeleitet, der im Außenmantel 1 in der Nähe des Leitblechs 8 in axialem Abstand von die Rohre 3, 4 festhaltenden Stirnwänden 10, 11 angeordnet ist. Letztere begrenzen den aktiven wärmeübertragenden Teil des Wärmetauschers. Das wärmeaufnehmende Medium tritt dabei zuerst in die Kammer I ein, in welcher dieses nach dem Gegenstromprinzip Wärme aufnimmt. Von hier strömt es um den Endabschnitt des Leitblechs 7 herum in die Kammer II. In der Kammer II wird das Medium nach dem Gleichstromprinzip erwärmt und gelangt sodann über den Zwischenraum zwischen dem anderen Endabschnif des Leitblechs 7 und der Stirnwand U in die Kammer III. Dort wird das Medium wiederum so lange nach dem Gegenstromprinzip erwärmt, bis es schließlich durch einen Stutzen 12 aus dem Wärmetauscher ausströmt, der in der Nähe des Leitblechs 8 auf der im Verhältnis zum Stutzen 9 entgegengesetzten Seite angeordnet ist.

Auf diese Weise werden vorteilhaft nur Teilabschnitte der Durchflußrohre 3, 4 von der ganzen Menge des wärmeaufnehmenden Mediums umspült Bei einer Verwendung dieses Wärmetauschers zur Erwärmung von Verbrennungsluft für einen Industrieofen mit Hilfe von dessen Abgasen bedeutet dies, daß die Luft in der Kammer I, die durch diese Kammer strömende Abgasmenge auf eine Temperatur abkühlt, die es ermöglicht, in der Kammer UI die Luft bis nahe an die Grenze der Hochtemperaturkorrosion zu erwärmen.

Da ferner die gesamte Luftmenge in den Kammern I, II und III nur Teilabschnitte der Durchflußrohre umspült, steigt die Temperatur der Luft in der Kammer I in beträchtlich geringerem Maße an als die Temperatur der Abgase sinkt. Beim Eintritt in die Kammer II trifft dadurch die bereits vorgewärmte gesamte Luftmenge auf diejenigen Durchflußrohre auf, in denen die Abgase wiederum mit ihrer höchsten Temperatur strömen. In der Kammer II erfolet — wie erwähnt — dip

Wärmeausnutzung nach dem Gleichstrornprinzip, wodurch die Temperatur der Rohre nahezu konstant und annähernd auf dem gleichen Wert wie am Einlaß in diese Kammer gehalten werden kann. In die Kammer III treten die Abgase mit einer gegenüber der Anfangstemperatur niedrigeren Temperatur ein und werden danach noch weiter abgekühlt.

Durch die angegebene Verteilung der Durchflußrohre auf die Kammern I, II und HI, sowie durch die mittige Anordnung des Leitblechs 8 zwischen den Stirnwänden 10 und 11 werden Verhältnisse geschaffen, bei denen eine Hochtemperaturkorrosion selbst dann mit Sicherheit nicht auftritt, wenn die Gasmengen innerhalb weiter Grenzen schwanken. Falls in erster Linie eine Niedrigtemperaturkorrosion im Wärmetauscher verhindert werden soll, kann das kalte Medium auch in entgegengesetzter Richtung in den Wärmetauscher geleitet werden; das heißt, erst durch die Kammer III unter Ausnutzung des Gegenstromprinzips, dann durch die Kammer II unter Ausnutzung des Gegenstromprinzips und schließlich durch die Kammer I unter Ausnutzung des Gleichstromprinzips.

In F i g. 2 und 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Wärmetauschers gezeigt. Dieser besitzt im wesentlichen einen rohrförmigen Außenmantel 13, in dem Durchflußrohre 14, 15 bündelartig angeordnet sind. Innerhalb des Außenmantels 13 ist konzentrisch zu diesem ein rohrförmiges Leitblech 16 vorgesehen, welches die Durchflußrohre 15 teilweise umschließt. Das Leitblech 16 ist mit dem Außenmantel 13 durch ein den ringförmigen Raum zwischen diesen abteilendes Leitblech 17 verbunden, welches mit Durchlässen für die Durchflußrohre 14 versehen ist. Die Leitbleche 16 und 17 unterteilen den gesamten Raum innerhalb des Außenmantels 13 wiederum in drei Kammern, welche mit Γ, II' und III' bezeichnet sind. Die Ein- und Auslaßstutzen für das die Durchflußrohre umgebende Medium sind hier mit 18 und 19 bezeichnet, und ähnlich wie in F i g. 1 ist die Strömung der verschiedenen Medien durch Pfeile angedeutet.

Die Arbeitsweise dieses Wärmetauschers entspricht der des Wärmetauschers nach F i g. 1. Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse des die Rohre 14 umgebenden Mediums sind im Ringraum zwischen dem Leitblech 16 und dem Außenmantel 13 Strömungsleitflügel 20 vorgesehen, die parallel zu den Rohren 14 verlaufen. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß das die Durchflußrohre 14 umspülende Medium beim Durchgang durch die drei Kammern immer über den Querschnitt des Wärmetauschers gleichmäßig verteilt wird, was die Wärmeübertragung um einiges verbessert.

Soll der Wärmetauscher an einen Ofen angeschlossen

werden, dessen Abgase vor dem Eintritt in den Wärmetauscher eine sehr hohe Temperatur haben, oder sollen die Gase zum Zwecke einer weiteren Energieausnutzung auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden als es durch die Erwärmung der Verbrennungsluft erreicht werden kann, so ist es auch möglich, die

ίο Leitbleche ganz oder teilweise sowie gegebenenfalls die Strömungsleitflügel mit Kanälen für Kühlwasser zu versehen. Das Kühlwasser kann dabei seinerseits zur Beheizung von Arbeitsräumen ausgenützt werden.

Die Ausführung des Wärmetauschers gemäß vorstehender Beschreibung hat den Vorteil, daß dieser aus verhältnismäßig einfach herzustellenden Bauteilen, wie Rohren und Blechen, leicht zusammengesetzt werden kann. Ferner kann zur Anpassung an verschiedene Temperatur- und Strömungsverhältnisse die Anordnung der Ein- und Auslaßstutzen für das die Durchflußrohre umgebende Medium praktisch entlang des ganzen aktiven Bereichs des Wärmetauschers frei gewählt werden, ohne daß hierfür wesentliche Änderungen der Ausbildung der Bauteile desselben erforderlich sind.

Bei Annahme der folgenden Werte, ergibt sich nachstehend als Beispiel folgende zweckmäßige Dimensionierung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers:
Ein ölbeheizter Ofen liefert 1600 NmVh Abgase mit einer Temperatur von 1000° C. Der Wärmeinhalt der Abgase soll zur Erwärmung von 1400 NmVh Verbrennungsluft von 0°C auf 500° C ausgenützt werden. Es wird angenommen, daß die Oberflächentemperatur der von den Abgasen berührten Flächen höchstens der Durchschnittstemperatur zwischen den Abgasen und der Luft entspricht.

Für einen Wärmetauscher gemäß F i g. 2 mit den dort durch die Pfeile angegebenen Strömungsverhältnissen und mit derart gewählten Gas- und Luftgeschwindigkeiten, so daß als Wärmedurchgangskoeffizient 35 W/ m² · K angenommen werden kann, ergeben sich folgende Werte, wenn die niedrigste Temperatur an den Durchflußrohren etwa 150° C übersteigen und die höchste Temperatur an denselben etwa 600° C unterschreiten soll. Die erforderlichen Wärmeübergangsflächen betragen dann in den Kammern Γ bis ΗΓ etwa 4 m², etwa 8,5 m² und etwa 4,5 m², wobei hierbei die austretenden Abgase eine Temperatur von etwa 625° C besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für insbesondere ölbeheizte Industrieöfen durch deren Abgase, der in seinem Innenraum mehrere, durch Leitbleche teilweise voneinander abgetrennte und von den heißen Abgasen durchströmte Rohrbündel aufweist, die von der vorzuwärmenden Luft umströmt sind, bei dem ein Leitblech parallel zu den Rohrbündeln verläuft und eine im wesentlichen über die gesamte Länge des Innenraums sich erstreckende, ein Rohrbündel enthaltende Kammer begrenzt, und ein anderes Leitblech quer zu den Rohrbündeln verläuft und zwei weitere, mit der Kammer in Verbindung stehende Kammern abteilt, welche hintereinander angeordnet sind und sich im Bereich der langgestreckten Kammer parallel zu dieser erstrecken, und bei dem die Luft über Stutzen in den Innenraum ein- und austritt, die zu beiden Seiten des quer verlaufenden Leitbleches angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zwei hintereinander angeordneten Kammern (I, III; Γ, III') ein durch das quer verlaufende Leitblech (8; 17) hindurchgreifendes Rohrbündel verläuft und daß die Stutzen (9,12; 18, 19) in der Nähe des quer verlaufenden Leitbleches (8, 17) angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das quer verlaufende Leitblech (8,17) mittig zu dem parallel verlaufenden Leitblech (7; 16) angeordnet ist.

3. Wärmetauscher nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (7, 8) plattenförmig ausgebildet sind.

4. Wärmetauscher nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das parallel verlaufende Leitblech (16) rohrförmig und das quer verlaufende Leitblech (17) plattenförmig ausgebildet ist.