DE2734922A1

DE2734922A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung von abgaskruemmern

Info

Publication number: DE2734922A1
Application number: DE19772734922
Authority: DE
Inventors: Herbert Kuhlmann
Original assignee: HAAKSHORST HEINZ G
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1977-08-03
Filing date: 1977-08-03
Publication date: 1979-02-08
Also published as: NO782496L; DE2734922C2; NO148687C; FR2399636B1; AR216677A1; AT371907B; IT1237317B; CH640630A5; BR7804985A; SE427962B; DK316578A; GB2002105B; NL7807655A; PL208650A1; ES470280A1; RO85238A; BE869425A; NO148687B; GB2002105A; SE7806507L

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Abgaskrümmern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Abgaskrümmern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Abgaskrümmer mit gekühlter Rohrwandung.

Abgaskrümmer für Industrieöfen sind gegenüber Abgaskaminen die thermisch höchstbelasteten Bauteile der gesamten Abgasführung in Industriebetrieben. Die thermische und mechanische Beanspruchung eines Abgaskrümmers mit einer Umlenkfunktion des Abgasstromes von ca. 90° unmittelbar am Ofendeckel ist unvergleichbar hoch und ist mit einer Problemstellung bei Abgaskaminen, die im wesentlichen vertikal verlaufen, und nur geringfügige Krümmungen aufweisen sowie erheblich niedrigere Abgastemperaturen führen, nicht vergleichbar. So haben heute noch die Abgaskrümmer an Industrieöfen die geringste Standzeit, da die Wandungen Abgastemperaturen von l400° - l600° C ausgesetzt sind, durch die sehr hohe unterschiedliche Spannungen und lokale Materialzersetzungen erzeugt werden und zur frühzeitigen Zerstörung des Abgaskrümmers führen.

Abgaskrümmer mit doppelten Wandungen zur Durchleitung eines Kühlmediums werden bisher aus Blechsegmenten mit winkligen Abschnitten hergestellt. Diese bekannten Abgaskrümmer haben für die Umlenkung der heißen Abgase strömungsungünstige Nachteile, da an jedem winkligen Stoß sich erhebliche Turbulenzen und damit verbundene Wärmestaus bilden, die mit den bekannten Kühlsystemen nicht zu beherrschen sind. Eine Dampfblasenbildung ist an diesen Stellen nicht zu verhindern, und die Zerstörung der Abgaskrümmer ist die unvermeidbare Folge.

Die weiteren ursächlichen Zusammenhänge für eine frühzeitige Zerstörung der bekannten Abgaskrümmer sind darin zu sehen, daß die wärmsten Zonen, die im allgmeinen im Querschnittssektor der größten Radien im Abgaskrümmer liegen, mittels Kühl-

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mittel an die Wandungsteile der kühleren Querschnittssektoren übertragen werden. So wurde z. B. bei Abgaskaminen mit bekannter Rohrwandung bereits vorgeschlagen, das Kühlmittel durch die in vertikale Sektionen unterteilte Rohrwandung strömen zu lassen, wobei die Geschwindigkeit des Kühlmittels in den einzelnen Sektionen in Abhängigkeit von der anfallenden Wärmemenge geregelt wird (DT - PS 1 4o8919)·

Die Lehre dieses Patents ist aber für Abgaskrümmer nicht anwendbar, da der Kühlmittelfluß unter Schwerkraft nicht in der Lage ist, lokale Spitzentemperaturen, wie sie in Abgaskrümmern auftreten, zu beherrschen und die entsprechend anfallende Wärme abzuführen. Einer der wesentlichsten Nachteile liegt aber darin, daß die intensivierte Abführung der Wärme in bestimmten Sektionen des Abgasquerschnitts auf die gesamte Länge an andere Wandungsteile des Abgaskamins übergeleitet wird. Dadurch entstehen auch in den Abschnitten des Abgaskamins Spannungen durch Temperaturdifferenzen, wo sonst eine vorteilhafte gleichmäßige Wärmeverteilung in der Rohrwandung bestand. Die Temperaturdifferenzen wurden bei diesen bekannten Vorrichtungen nicht innerhalb der gesamten Abgasführung ausgeglichen, sondern nur auf andere Wandungsteile verlagert, so daß die zerstörende Wirkung durch Wärmedifferenzen nicht beseitigt werden konnte. Ferner ist nach diesem bekannten Vorschlag der Strömungsquerschnitt des Kühlkreislaufs durch Steuerventile eingeengt, so daß eine Wärmeabführung im Temperaturbereich der Dampfblasenbildung nicht gewährleistet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens, wonach das kühltechnische Problem in Abgaskrümmern gelöst wird, lokale Uberhitzungen in der Wandung eines Rohrkrümmers zu verhindern und Spannungen durch Temperaturdifferenzen in der gesamten Wandungsfläche mit Sicherheit zu vermeiden sind und die Entwicklung einer Vorrichtung, mit der das Verfahren nach dieser Erfindung durchgeführt werden kann.

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Zur Lösung der Erfindungsaufgabe wird zur Kühlung von Abgaskrümmern unter Verwendung an sich bekannter Kühlwandungen mit in Strömungsrichtung der Abgase verlaufenden Kühlkanälen vorgeschlagen, die in Strömungsrichtung im Mantel eines Abgaskrümmers im Bereich eines bestimmten Querschnittssektors entstehende konzentrierte Wärme durch regelbaren Kühlmitteldruck und Kühlmitteldurchsatz über in Längsrichtung im Mantel in einem Querschnittssektor angeordnete Kühlkanäle gleichgroßen Strömungsquerschnitts innerhalb des gesamten Kühlkreislaufs unmittelbar im Bereich ihrer Entstehung abzuführen und die Manteltemperatür auf das Niveau der kühleren Mantelteile bzw. Querschnittssektoren, respektive dieser separaten Kühlkreisläufe, abzusenken.

Dadurch wird erreicht, daß die wärmsten Zonen, die im allgemeinen im Bereich der größten Radien der Krümmerwandungen im Längsbereich eines bestimmten Sektors des gesamten Querschnitts begrenzt bleiben und nicht auf die angrenzenden kühleren Wandungsteile der übrigen Querschnittssektoren übergeleitet werden. Nach einem weiteren Vorschlag nach dieser Erfindung wird die damit im gesamten Mantel des Rohrkrümmers ausgeglichene Temperatur proportional weiter geregelt, um eine Einregulierung der ausgeglichenen Temperatur aller Kühlkreisläufe auf eine gewünschte Betriebstemperatur einzusteuern.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Spannungsrisfee, die durch hohe Temperaturdifferenzen im Mantelkrümmer entstehen, weitgehend vermieden. Lokale Überhitzungen, die im allgemeinen zur Dampfblasenbildung und damit zum Zusammenbruch des Kühlkreislaufs führen, werden durch die Zwangskühlung bei unbedingt einzuhaltender gleichbleibender Strömungsquerschnitte im gesamten Kühlkreislauf bzw. in den einzelnen Kühlkreisläufen innerhalb bestimmter Querschnittssektoren mit Sicherheit vermieden, wie umfangreiche Versuche in der Praxis bewiesen haben.

Es hat sich gezeigt, daß die Standzeit eines Abgaskrümmers nach dieser Erfindung gegenüber den bisher bekannten Abgaskrümmern um mehr als das Doppelte verlängert werden konnte.

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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung, unter Verwendung an sich bekannter Rohrwandungen, bei der kühlmittelführende Rohre nebeneinanderliegend miteinander verschweißt sind, und die Kühlung sektionsweise im Umfang des Abgaskamins durchgeführt werden kann, vorgeschlagen, die aus einzelnen dem gewünschten Krümmungsradius entsprechend geborenen, nebeneinanderliegenden und in Strömungsrichtung der Abgase verschweißten Rohrstücke so anzuordnen, daß mindestens zwei benachbarte Rohre jeweils am Ende des Krümmungsradius an eine Zuleitung und an eine Ableitung eines.Kühlmediums angeschlossen sind, wobei die Kühlschlangen von der Zuleitung bis zur Ableitung des Kühlmediums einen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt aufweisen, die von einem ununterbrochenen regelbaren bzw. einstellbaren Kühlmittelstrom durchflossen sind.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden zur Bildung besonders vorteilhafter Kühlschlagen die Enden jeweils zwei benachbarter Rohre so aufgedornt, daß die aneinanderliegenden Wandungen beider Rohrenden auf eine Länge, die ca. dem Durchmesser eines Rohres entspricht, etwa parallel nebeneinanderliegend miteinander verschweißt und die beiden offenen Rohrenden unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Strömungsquerschnitts mittels einer entsprechend geformten Umlenkkappe verbunden und mit den Rohrenden verschweißt sind.

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Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen
beispielsweise erläutert werden.

Diese zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines

A bga s krümme rs

Fig. 2 und J>: ein Ausführungsbeispiel eines Abgaskrümmers nach der Erfindung

Fig. 4 und 5'· Verbindung zweier Kühlrohre zur

Bildung einer Kühlschlage.

Die schematische Darstellung in Figur 1 zeigt einen Rohrkrümmer 1 mit einer Umlenkung des Abgasstromes um 90°. Die höchste thermische Belastung des Mantels 2 erfolgt etwa im Bereich des Mantelsektors £ . Der Mantel 2 besteht aus einzelnen Rohrstücken 3,^₁, die mittels einer Umlenkkappe 4 zu einer Kühlschlange 5 miteinander verbunden sind und einen geschlossenen Kühlkreislauf bilden. Die Einleitung 6 und die Ableitung 7
eines Kühlmittels erfolgt an einem Ende der wärmsten Zonen im Mantel 2 und sorgt für eine schnelle Ableitung der Wärme aus
dem entsprechenden Sektionsbereich. Die profilierte Rohrwandung 2 der längsverschweißten Rohre sind für den erfindungsgemäßen Rohrkrümmer 1 besonders vorteilhaft, da die vergrößerte Oberfläche die Wärme in an sich bekannter Weise rasch aufnimmt und außerdem den Abgasstrom 8 turbulentfrei zum Krümmungsradius führt. Dadurch werden gefährliche Wärmestaus in der Wandung 2 und die Überleitung der Wärme auf die thermisch gering belasteten Wandungsteile vermieden.

In den Figuren 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rohrkrümmers 1 dargestellt. Die Einleitungen 6 und die Ableitungen 7 der einzelnen Kühlkreisläufe sind am oberen Ende des Rohrkrümmers angeordnet. Der Zwangskühlkreislauf erfolgt nach diesem Ausführungsbeispiel über einen Verteiler 9, an dem die einzelnen Kühlkreisläufe, mit jeweils auf die thermischen Bedingungen der einzelnen Sektionen abgestimmten

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Czv. mungsquerschr.itten und Strornun^swiderstr.nden, angesc^v·! r-rsen sind. Die Ableitungen 7 dsr Kühlkreis! ^:'.ufe erfolgen Tner einen SaiEler ¹O.

Der erf indungs^ern^ ."e A b--?F krümmer 1 ist auirercom mit einem an sich bekannten, wacser_: -e kühlten Flansch 11 versehen. Der Flr.rsch 11 besteht remäi? der Erfindung ebenfalls aus einer an sich bekannten Rohrwandung. Die Rohre 12 sind hier spiralförmig zusammengeschweißt v.nd an einem oder mehreren separaten Küh]kreisi;-ufen angeschlossen. Hierdurch werden Vv'ärmespannungen auch im Anschlußflansch 11 vermieden und immer eine plane AnschluPebene 13 gewährleistet, sowie eine Überleitung der Flenschwärme auf die AbgaskrUranerv.-andung 2 verhindert .

Die Enden der Kühlschlangen J> sind mit den erfindungsgemäi?en Umlenkkappen ύ versehen, die nicht über den Umfang der äußeren Rohrwandung am Krümmereingang lh hinausgehen. Dieses ist nach örtliche, baulichen Erfordernissen bei Industrieöfen von besonderer Wichtigkeit. Die strömungsgünstige Umlenkung 17 des Kühlmittels in den Kühlschlangen 5 ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Insbesondere ist in Figur 5 die Aufdornung der Rohrenden 3 ersichtlich, wobei die berührenden Wandungen 15 etwa parallel nebeneinanderliegend verschweißt sind. Die so verschweißten Rohrenden 3 werden dann mit einer Umlenkkappe 4 zu einer ?:ühlsch]ange 5 gleichen Strömungsquerschnitts l6 mit äußerst guten Strömungseigenschaften verschlossen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Kühlung -uon Abgas krummem, unter Verwendung an sich bekannter Kühlwandungen mit in Strömungsrichtung der Abgase verlaufenden Kühlkanälen, dadurch gekannzeichnet, daß die in Strömungsrichtung(8)der Abgase im Mantel(.2^ eines Abgaskrümmers (l) im Bereich eines bestimmten Querschnittssektors (cC) konzentrierte Wärme durch eingestellten bzw. regelbaren Kühlmitteldruck und Kühlmitteldurchsatz über in Längsrichtung im Mantel (2) eines Querschnittssektors (C) angeordnete Kühlkanäle (3) gleichgroßen Strömungsquerschnitts(l6]innerhalb eines gesamten Kühlkreislaufs (6,7) unmittelbar im Bereich ihrer Entstehung abgeführt und auf das Niveau der kühleren Mantelteile, z. B. im Querschnittssektor ((·), abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Mantel (2) desAbgaskrümmers (l) ausgeglichene Temperatur aller Kühlkreisläufe proportional auf eine gewünschte Betriebstemperatur eingesteuert wird.

5- Abgaskrümmer aus an sich bekannter Rohrwandung, bei der kühlmittelführende Rohre nebeneinanderliegend miteinander verschweißt sind und die Kühlung sektionsweise im Umfang des Abgaskamins durchgeführt werden kann, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskrümmer (l) aus einzelnen, dem gewünschten Krümmungsradius entsprechend gebogenen, nebeneinander angeordneten und in Strömungsrichtung der Abgase (8) verschweißten Rohrstücken besteht, wobei mindestens zwei benachbarte Rohre (3,j3j) Jeweils an einem Ende des Krümmungsradius zu Kühlschlangen (5) beliebiger Anzahl von Windungen verbunden sind, die unmittelbar am

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Ende des Krümmungsradius (l) an eine Zuleitung (6)
und an eine Ableitung (7) eines Kühlmittels angeschlossen sind, wobei die einzelnen Kühlschlangen (5) von der Zuleitung (6) bis zur Ableitung (7) eines Kühlmittels
einen gleichgroßen Strömungsquerschnitt (16) aufweisen, die von einem ununterbrochen eingestellten, bzw. regelbaren Kühlmittelstrom (17) durchflossen sind.

4. Abgaskrümmer nach Anspruch 3, dadurch gekannzeichnet,
daß jeweils zwei benachbarte Rohrende^ (3^₁) einer gebildeten Kühlschlange(5)derart aufgedornt sind, daß die aneinanderliegenden Wandungen (15) beider Rohrenden auf eine Länge, die ca. dem Durchmesser eines Rohres entspricht, etwa parallel nebeneinanderliegend miteinander verschweißt sind und die beiden offenen Rohrenden unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Strömungsquerschnitts(l6) mittels einer entsprechend geformten Umlenkkappe (4) verschlossen und mit den Rohrenden(3)verschweißt sind.

5. Abgaskrümmer nach Anspruch 3 und h, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskrümmer (l) mit einem kühlbaren Flansch (ll) versehen ist, der aus einer oder mehreren spiralförmig
gebogenen Kühlschlangen (\2)besteht.

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