DE2536657C3 - Wärmeaustauscher zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für insbesondere ölbeheizte Industrieöfen - Google Patents
Wärmeaustauscher zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für insbesondere ölbeheizte IndustrieöfenInfo
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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 6000C 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 1500C absinkt, was vorwiegend
von der Ausfällung saurer Alkalisulfate an den Wärmeaustauschflächen herrührt. Diese Korrosionsprodukte sind außerdem klebrig und können zu einer
Verstopfung der Gäskänäle führen.
Das genannte Problem tritt insbesondere bei Wärmetauschern auf, die nach dem Gegcnstromprinzip
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 RingraumSi in dem die Rohrbündel untergebracht sind,
ίο wogegen die beiden anderen, kleineren Kammei j 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 kaltfe 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 Wärmeausnützung 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 Niedrigtemperaturkorrosion
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
deich- 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 dritte 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 schematisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschersund
F i g. 2 und 3 einen Längs- bzw. einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Wärmelauschers.
Der in F i g. I gezeigte Wärmetauscher hat einen hohlzylinderförmigcn Außenmantel I 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 Tiit 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 iWunterteilt, 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 f.·/. Das Leitblech 7
trennt dabei die Rohre 3 von den üb;igen 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
Durchfshrungslöchern versehen, durch die die Rohre 4 gestreckt sind.
Das die Durchflußrohre 3,4 umgebende Medium, das
jo im folgenden als das wärmeaufnehmende Medium in
Form von Luft angenommen wird, wird in den Innenraum 2 durch einen Stutzen 9 eingeleitet der im
Auüenmantel 1 in der Nähe des Leitblechs 8 in axialem Abstand von die Rohre 3, 4 festhaltenden Stirnwänden
J5 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 KatTrfner II.
In der Kammer II wird das Medium nach dem Gleichstromprinzip erwärmt und gelangt sodann über
den Zwischenraum zwischen dem anderen Endabschnit« des Leitblechs 7 und der Stirnwand 11 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
so 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 ,ietsen 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 III die Luft bis nahe an die Grenze der Hochtemperaturkorrosion zu erwärmen.
Da ferner die gesamte Luftmenge in den Kammern I, H und 111 nur Teilabschnitte der Durchfiußrohre 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 Durrhflußrohre auf, in denen die Abgase wiederum mit ihrer höchsten Temperatur strömen. In
der Kammer II erfolgt — wie erwähnt — el·?
Wärmeausnutzung nach dem Gleichstromprinzip, 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, Il und IM, 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 Il 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 Fig. 1 ist die Strömung der verschiedenen
Medien durch Pfeile angedeutet.
Die Arbeitsweise dieses Wärmetauschers entspricht der des Wärmetauschers nach Fig. 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
wird, was die Wärmeübertragung um einiges verbessert.
werden, dessen Abgase vor dem Eintritt in den
> Wärmetauscher eine sehr hohe Temperatur haben, oder
sollen die Gase zum Zwecke einer weiteren Energieaus
nutzung 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
versehen. Das Kühlwasser kann dabei seinerseits zur
It hender 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 StrömunKSVL-rhiÜinisse die Anord-
λ> nung der Ein- und Auslaßstutzen für das die
Durchflußrohre umgebende Medium praktisch entlang des gar.7i.ii 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 nachsiehend als Beispiel folgende zweckmäßige Dimensioniermg eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers:
Ein ölbeheizter Ofen liefert 1600 NmVh Abgase mit
so <;iner Temperatur von 10000C. Der Wärmeinhalt der
Abgase soll zur Erwärmung von MOONmVh Verbrennungsluft von 00C auf 5000C ausgenützt werden. Es
wird angenommen, daß die Oberflächentemperatur der von den Abgasen berührten Flächen höchstens der
J5 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- urH Luftgeschwindigkei
ten, so daß als Wärmedurchgangskoeffizient 35 W/
m2 · K angenommen werden kann, ergeben sich folgende Werte, wenn die niedrigste Temperatur an den
Durchflußrohren etwa 1500C übersteigen und die höchste Temperatur an denselben etwa 6000C unter
schreiten soll. Die erforderlichen Wärmeübergangsflä-
chen betragen dann in den Kammern Γ bis III' etwa 4 m2, etwa 8,5 m2 und etwa 43 m2, wobei hierbei die
austretenden Abgase eine Temperatur von etwa 625° C besitzen.
Claims (4)
1. Wärmetauseher zum Vorwärmen von Verbrennungsluft
for 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£<nd, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die zwei hintereinander angeordneten Kammern (I, III; P, 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 (J, 8)
plattenförmig ausgebildet sind.
4. Wärmetauscher nacii Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß da- parallel verlaufende
Leitblech (16) rohrförmig und das quer verlaufende Leitblech (17) plattenförmig ausgebildet ist.
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