DE2735543B2

DE2735543B2 - Rekuperatorelement zum Bau von Rekuperatoren unterschiedlichster Querschnittsformen

Info

Publication number: DE2735543B2
Application number: DE2735543A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 4600 Dortmund Schneewind
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-06
Filing date: 1977-08-06
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2735543A1; DE2735543C3

Description

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Die Erfindung richtet sich auf ein Rekuperatorelement zum Bau von Rekuperatoren unterschiedlicher Querschnittsformen und aus zwei an ihren Begrenzungskanten dicht miteinander verbundenen Blechpreßteilen mit unterschiedlich gestalteten, verschiedene Winkelstellungen benachbarter Rekuperatorelemente erlaubenden Stirnflächen, mit und ohne zusätzliche feuerfeste Verkleidung.

Bei bekannten Rekuperatoren dieser Art (DE-OS 57 495) ist das Rekuperatorelement mit zwei verschiedenen Gestaltungen der Stirnflächen versehen. So ist eine Stirnfläche konvex und die andere Stirnfläche dieser Konvexität angepaßt konkav ausgebildet. Beim Zusammenbau eines Rekuperators mit den bekannten Elementen kann dieser daher beispielsweise im Grundriß als Fünfeck, Achteck oder Sechzehneck ausgeführt werden, wobei die jeweiligen Stirnseiten der Rekuperatorelemente durch die bekannte Ausbildung aneinander anliegen können, so daß eine sehr kompakte Bauweise möglich ist. Diese bekannten Rekuperatorelemente können schon einen großen Teil der Forderungen erfüllen, die an derartige Bauelemente gestellt werden. Als nachteilig hat sich jedoch erwiesen, daß die Rekuperatorelemente an ihren Stirnseiten nicht direkt miteinander verbindbar sind, so daß beim Aufbau des Rekuperators zusätzliche Hilfsmittel nötig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Beibehaltung der Vorteile des Standes der Technik ein Rekuperatorelement mit konstruktiv- und fertigungstechnisch einfachen stirnseitigen Verbindungselementen zu schaffen, die insbesondere beim Bau des Rekuperators Zugkräfte aufnehmen können und eine Aufrechterhaltung der stirnseitigen Verbindung der Elemente untereinander sicherstellen, wobei aber zusätzlich die Verbindungsbereiche rauchgasgekühlt sein sollen, um jederzeit die Verbindung aufrecht zu erhalten, da durch unterschiedliche Temperaturen ggf. Spannungsunterschiede die sichere Verbindung der einzelnen Elemente in Frage stellen könnten.

Bei einem Rekuperatorelement der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß eine der beiden Stirnflächen als Klemmelement und die andere Stirnfläche als rauchgasgekühlter rohrförmiger Körper und die Stirnflächen als jeweils in der Gebrauchslage die korrespondierenden Stirnflächen hiiitergreifend bzw. als in diese eingreifend ausgebildet sind.

Durch diese Ausgestaltung des Rekuperatorelementes wird einmal erreicht, daß der Aufbau eines Rekuperators wesentlich vereinfacht wird, da beispielsweise die einzelnen Elemente so miteinander verbunden werden können, daß zusätzliche Montagehilfsmittel überflüssig sind, zum anderen wird erreicht, daß die Kupplungsstelle zwischen zwei benachbarten Elementen ebenfalls von dem zu erwärmenden Medium durchströmt wird, so daß die Kupplungsstelle gegenüber der restlichen Rekuperatorelemente die praktisch gleiche Temperatur aufweist. Damit werden Spannungsunterschiede durch unterschiedliche Erwärmung der einzelnen Teile von vornherein vermieden, was insbesondere bei der Verkleidung der Elemente mit keramischen Werkstoffen nützlich ist.

Aus der GB 9 33 243 sind Elemente zur Bildung von Strahlungsschirmen für öfen oder Heizflächen bekannt, die aus einzelnen, ineinander verhakbaren Elementen aus feuerfestem Material bestehen. Die dort offenbarten Elemente dienen einem gegenüber der Erfindung gänzlich anderem Zweck. Auch gewährleistet die bekannte Form nicht die gleichmäßige Erwärmung der besonders kritischen Kupplungszonen benachbarter Elemente zueinander. Das Problem unterschiedlicher Wärmedehnung von Metallteilen zu keramischen, feuerfesten Steinen ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß der rohrförmige Körper mit dem Innenraum des Rekuperatorelementes in Verbindung steht, wodurch eine besonders günstige Gasführung und einfache Ausbildung des Rekuperatorelementes erreicht wird.

Als besonders vorteilhaft sieht die Erfindung bei Rekuperatorelementen mit einer feuerfesten Verkleidung zusätzlich vor, daß die den Stirnflächen zugeordneten Steine der feuerfesten Verkleidung des Rekuperatorelementes als jeweils die Endsteine des Nachbarelementes über- bzw. untergreifende, die Verdrehung der Elemente ermöglichende Steine ausgebildet sind. Dadurch wird erreicht, daß nur eine begrenzte Zahl von Formsteinen bzw. Anschlußsteinen bereitgehalten werden müssen, um jeweils mit dem gleichen Rekuperatorelement Rekuperatoren unterschiedlicher Querschnittsformen erstellen zu können, da die stirnseitige

Verdrehbarkeit der Elemente durch die erfindungsgemäße Gestaltung der zugeordneten Endsteine der feuerfesten Verkleidung die gleiche Verstellmöglichkeit erlauben.

Rekuperatoren werden nicht nur in unterschiedlichen Querschnittsgestaltungen ausgeführt, sondern auch mit Elementen unterschiedlicher Führung des durchströmenden Mediums und unterschiedlicher Durchsetzkapazität

Die spezielle erfindungsgemäße Gestaltung des Rekuperatorelementes bedingt, daß es in Rekuperatoren Anwendung finden kann, die unterschiedlichste Bauweise aufweisen. Dabei ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Elementes nicht auf eine bestimmte Art der Wärmeübertragung beschränkt So ist erfindungsgemäß die kombinatorische Verwendung von Elementen mit feuerfester Verkleidung zum Aufbau des Strahlungsraumes und die Verwendung von baugleichen Elementen ohne feuerfeste Verkleidung zum Aufbau des nachgeschalteten Konvektionsraumes eines Rekuperators vorgesehen.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß die erfindungsgemäßen Elemente in paralleler und/oder sternförmiger Anordnung im Konvektionsraum eines Rekuperators Verwendung finden. 2^r>

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert Diese zeigt in

F i g. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Rekuperatorelementes mit teilweise angedeuteter, feuerfester Verkleidung, -so

Fig.2 einen Schnitt gemäß Linie H-II in Fig. 1 mit feuerfester Verkleidung,

Fig.3 einen Schnitt gemäß Linie III-1II in Fig. 1 mit feuerfester Verkleidung und teilweise angedeutetem Nachbarelement, ^

F i g. 4 die vergrößerte Darstellung der Verbindung zweier Nachbarelemente im Schnitt etwa nach F i g. 2,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Rekuperatorelementes mit feuerfester Verkleidung, etwa nach der geknickten Linie IH-V in Fig. 1,

Fig.6 und 7 Ansicht und Aufsicht auf einen feuerfesten Stein nach F i g. 5,

Fig.8 schematisch dargestellte Querschnitte durch ein Rekuperatorelement mit verschiedener Anzahl von Zügen für das strömende Medium,

Fig.9 eine vereinfachte Darstellung des Preßwerkzeuges zur Herstellung der Blechpreßteile,

Fig. 10 einen Schnitt durch einen Rekuperator mit unten liegendem Strahlungs- und oben liegendem Konvektionsraum,

F i g. 11 einen Querschnitt durch den Rekuperator nach Linie XI-XI der F ig. 10,

Fig. 12 einen Querschnitt durch den Rekuperator nach Linie XIl-XH in Fig. 10,

Fig. 13 einen Querschnitt nach Linie XIH-XIII in Fig. 10 und

Fig. 14 eine andere Anordnung der Rekuperatorelemente im Konvektionsteil des Rekuperators.

Das in F i g. 1 dargestellte Rekuperatorelement 1 ist als drei-zügiges Element ausgebildet mit den Zügen 2,3 und 4. Gebildet ist das Rekuperatorelement 1 aus zwei Blechpreßteilen 5 und 6, die miteinander verschweißt sind. Zum Kombinieren einzelner Elemente 1 übereinander ist am unteren Ende des Elementes eine Feder 7 vorgesehen, während das obere Ende als Nut 8 ausgebildet ist, wodurch eine zusätzliche Versteifung des Elementes erreicht wird. In der Gebrauchslage steckt die Feder 7 des oberen in der Nut 8 des darunter sich befindenden Elementes. Am oberen und unteren Ende des durch die Preßteile gebildeten Kanals 9 sind Öffnungen 10 und 11 vorgesehen. Die öffnung 10 stellt also beispielsweise bei dem dargestellten Rekuperatorelement eine Eintrittsöffnung für das zu erwärmende Medium dar, wenn das Element von oben rechts nach unten links durchströmt wird (Pfeilrichtung 12). Bei der Umkehrung des Strömungsverlaufes stellt die öffnung 10 die Austrittsöffnung dar. In der Gebrauchslage sind die Rekuperatorelemente so angeordnet daß die Austrittsöffnung eines Elementes mit der Eintrittsöffnung des darüber befindlichen Elementes fluchtet.

Wie aus F i g. 3 und insbesondere F i g. 4 hervorgeht, ist im dargestellten Beispiel die eine Stirnfläche 13 als Klemmelement 14 ausgebildet während die gegenüberliegende Stirnfläche 15 als rohrförmiger Körper 16 ausgebildet ist Das Klemmelement 14 ist dabei durch die Anformung eines bogenförmigen Teiles 17 am Blechpreßteil 5 und einem bogenförmigen Teil 18 am Blechpreßteil 6 gebildet. Der Durchmesser und die Länge der bogenförmigen Teile 17, 18 sind dabei so bemessen, daß der rohrförmige Körper 16 des Nachbarelementes klemmend umgriffen werden kann, wobei der Winkel α den die Hauptebenen der Rekuperatorelemente einnehmen, entsprechend der Verwendung der Elemente variieren kann. Wie aus F i g. 4 erkennbar, sind die Blechpreßteile 5 und 6 dort miteinander verschweißt, wo die bogenförmigen Teile 17 und 18 jeweils in den Stirnflächenbereich des Rekuperatorelementes übergehen.

Durch Anformung je eines gleichgestalteten bogenförmigen Teiles 19 an den Blechpreßteilen 5 und 6 an der der Stirnfläche 13 gegenüberliegenden Stirnfläche 15 und durch Verschweißung dieser beiden Teile 19 durch eine Mittelnaht wird der rohrförmige Körper 16 gebildet. Wie insbesondere aus F i g. 4 hervorgeht, ist der rohrförmige Körper 16 mit dem Innenraum 20 des Rekuperatorelementes 1, beispielsweise mit dem Gaszug 2 verbunden, so daß das zu erwärmende Medium ebenfalls durch den rohrförmigen Körper 16 fließen kann.

Im Falle der Verkleidung der Rekuperatorelemente mit feuerfesten Steinen 21 sind die Endsteine so gestaltet, daß die gleichen Steine benutzt werden können, unabhängig vom Winkel λ, den die benachbarten Elemente zueinander einnehmen. Aus diesem Grunde weist der innenseitige, dem Klemmelement 14 zugeordnete Endstein 22, eine Verdickung mit bogenförmiger Außenfläche auf, die von dem dem rohrförmigen Körper 16 zugeordneten inneren Endstein 23 des Nachbarelementes durch eine bogenförmige Zunge 24 übergriffen wird. Im Falle einer außenseitigen Verkleidung mit feuerfesten Steinen weist der dem rohrförmigen Körper 16 zugeordnete Endstein 25 des einen Elementes eine Verdickung auf, die von einer Zunge 26 des außenseitigen Endsteines 27 des Nachbarelementes übergriffen wird. Durch die entsprechende Rasterwahl können zur Verkleidung völlig gleiche feuerfeste Steine 21 herangezogen werden, die an je zwei Seiten eine Nut 28 und 29 und den beiden benachbarten Seiten eine Feder 30 und 31 aufweisen (F i g. 6 und 7). Auch die Endsteine 22, 23, 25 und 27 sind entsprechend ausgerüstet

In der Gebrauchslage wird der zwischen den feuerfesten Steinen und dem Rekuperatorelement entstehende Freiraum mit einer keramischen Masse 32 ausgefüllt. Bei paralleler Anordnung der Rekuperatorelemente und dem Einsatz hoher Drücke sind

Distanzsteine 51 zwischen den einzelnen Elementen vorgesehen(Fig. 5).

Bei der Verkleidung mit feuerfesten Steinen sind am Rekuperatorelement Haken 33 angebracht, die von Vorsprüngen 34 an den feuerfesten Steinen 21,22,23,25 und 27 hintergriffen werden. Wie insbesondere aus F i g. 7 erkennbar, ist die Größe der feuerfesten Steine so gewählt, daß die Trennfuge im Bereich des Hakens 33 verläuft, so daß jeweils zwei feuerfeste Steine von einem Haken 33 gehalten werden.

Aus F i g. 5 ist darüber hinaus auch erkennbar, daß im Fuß der Nut 8 eine Asbestkordel 35 o. dgl. vorgesehen ist, die dem Schutz der Schweißnaht und darüber hinaus der dämpfenden Lagerung des oberen Rekuperatorelementes dient, !n F i g. 5 ist bei 36 gestrichelt dargestellt, daß bei Verwendung des Rekuperatorelementes unter hohem Druck die feuerfesten Formsteine entsprechend der Auswölbung des Elementes ausgebildet sein können.

In der Fig.8 ist das Rekuperatorelement 1 mit unterschiedlicher Zügeanzahl dargestellt, la zeigt den Querschnitt durch ein Element einfachster Bauweise mit nur einzügiger Ausführung, d. h. ohne zusätzliche Umlenkung des zu erwärmenden strömenden Mediums innerhalb des Rekuperatorelementes. Xb zeigt den Querschnitt durch ein zweizügiges Rekuperatorelement, während Ic ein dreizügiges Element gemäß F i g. 1 darstellt, mit den Zügen 2,3 und 4. Xdbezeichnet ein Rekuperatorelement mit vier Zügen, Ie ein solches mit fünf Zügen und Xf eines mit acht Zügen. Bei geradzahliger Zügezahl befinden sich die öffnungen 10 und 11 an der gleichen Seite des Rekuperatorelementes, während bei ungeraden Zügezahlen diese öffnungen in der Regel diagonal gegenüberliegen.

F i g. 9 zeigt vereinfacht die Vorrichtung zur Herstellung der Blechpreßteile 5 und 6. Zur Vergrößerung des Durchsatzes eines Rekuperatorelementes wird in der Regel dessen Strömungsquerschnitt vergrößert, wie dies in Fig.8 unter Xb gestrichelt dargestellt ist. Eine derartige Querschnittsvergrößerung läßt sich durch Verstellen der Eindringtiefe des Prägestempels 37 in die Matrize 38 erreichen, indem beispielsweise die den Stempelstegen 39 gegenüberliegenden Anschläge 40 hydraulisch oder mechanisch abgesenkt und die Länge der Stempelstege 39 in entsprechender Weise vergrößert wird. Eine Vergrößerung der Stempelstege 39 kann auch beispielsweise durch Hinzufügen von Beilagplatten erreicht werden.

In den Fig. 10 bis 14 sind Verlängerungs- und Variationsbeispiele des Rekuperatorelementes 1 dargestellt In Fig. 10 ist ein Rekuperator im Schnitt gezeigt, dessen Strahlungsraum 41 ebenso wie der Konvektionsraum 42 mit den Rekuperatorelementen 1 gemäß der Erfindung ausgerüstet ist Im gezeigten Beispiel ist der Strahlungsraum 41 zylinderförmig mit achteckigem Querschnitt ausgebildet, wobei die heißen Rauchgase unten eintreten und oben den Rekuperator verlassen. Zum Schutz vor den sehr hohen Eintrittstemperaturen sind die unteren Rekuperatorelemente 1 zusätzlich dur-h einen einen Luftspalt gegenüber diesen Elementen !"ifweisenden Schutzring 43 geschützt, während der mittlere Bereich mit einer direkt anliegenden feuerfe^r) sten Verkleidung 44 ausgerüstet ist.

Die Wirkungsweise des dargestellten Rekuperators ist dabei die folgende: Bei 45 tritt das heiße Rauchgas in den Rekuperator ein und verläßt diesen bei 46. Die Kaltluft tritt in den Rekuperator bei 47 ein, durchfließi

in die oberen Rekuperatorelemente 1 von innen nacti außen und wird im Ringkanal 48 gesammelt. Je nach gewünschter Endtemperatur des Abgases können ein oder mehrere Rekuperatorelemente 1 übereinander im oberen Konvektionsteil angeordnet werden. Die oberen Rekuperatorelemente ! sind aufgrund der niedrigeren Rauchgastemperatur nicht mit einer feuerfesten Verkleidung versehen. Über den Ringkanal 48 kann entweder Warmluft entnommen werden, oder aber den Elementen 1 des Strahlungsraumes 41 des Rekuperators zugeführt werden, so daß die endgültig vorgeheizte Luft über den Sammelring 49 bei 50 den Rekuperator verläßt.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Art der scharnierartigen Verbindung der einzelnen Rekuperatorelemente beschränkt. So kann vorgesehen sein, daC die Klemmelemente 14 nicht die ganze Stirnseite

jo überdecken, sondern nur an einzelnen Stellen der Stirnseite vorgesehen sind, so daß auch eine versetzte stufenweise Anordnung der Rekuperatorelemente möglich ist. Auch kann statt des hintergriffenen rohrförmigen Körpers ein dem Klemmelement 14 entsprechende:

J5 Klemmelement vorgesehen sein, mit entsprechend geringerem Außendurchmesser, so daß es von dem korrespondierenden Klemmelement hintergriffen werden kann. Auch ist die Verwendung des Rekuperatorelementes nicht auf die wiedergegebenen Beispiele beschränkt. So kann die Verwendung in einem Rekuperator mit Strahlungswärmeübertragung auf der Vorderseite der Elemente und Konvektionsübertragung auf der Rückseite der Elemente durch Gegenstromführung des Rauchgases vorgesehen sein.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßer Rekuperatorelemente in der beschriebenen Verwendung lassen sich Rekuperatoren erstellen, die mil Abgastemperaturen von 1700⁰C und höher arbeiten Gleichzeitig ist ein optimaler Schutz gegen aggressive Abgase gewährleistet was die Lebensdauer dei Rekuperatoren ganz erheblich steigert Auch der Wirkungsgrad, der bei der erfindungsgemäßen Anordnung bei ca. 0,9 liegt, ist wesentlich höher als der Wirkungsgrad bekannter Rekuperatoren, wobei dei Selbstkostenpreis eines solchen Rekuperators urr 30—50% niedriger als bei herkömmlicher Bauweise liegt

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rekuperatorelement zum Bau von Rekuperatoren unterschiedlicher Querschnittsformen und aus zwei an ihren Begrenzungskanten dicht miteinander verbundenen Blechpreßteilen mit unterschiedlich

. gestalteten, verschiedene Winkelstellungen benachbarter Rekuperatorelemente erlaubenden Stirnflächen, mit und ohne zusätzliche feuerfeste Verkleidung, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Stirnflächen (13) als Klemmelement (14) und die andere Stirnfläche (15) als rauchgasgekühlter rohrförmiger Körper (16) und die Stirnflächen als jeweils in der Gebrauchslage die korrespondierenden Stirnflächen hintergreifend bzw. als in diese eingreifend ausgebildet sind.

2. Rekuperatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (16) mit dem Innenraum (20) des Rekuperatorelementes (1) in Verbindung steht.

3. Rekuperatorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer feuerfesten Verkleidung, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stirnflächen zugeordneten Endsteine (22, 23, 25, 27) der feuerfesten Verkleidung des Rekuperatorelementes (1) als jeweils die Endsteine des Nachbarelementes über- bzw. untergreifende, die Verdrehung der Elemente ermöglichende Steine ausgebildet sind.

4. Rekuperatorelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die kombinatorische Verwendung jo von Rekuperatorelementen (1) mit feuerfester Verkleidung zum Aufbau des Strahlungsraumes (41) und von baugleichen Rekuperatorelementen (1) ohne feuerfeste Verkleidung zum Aufbau des nachgeschalteten Konvektionsraumes (42) eines » Rekuperators.

5. Rekuperatorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in paralleler und/oder sternförmiger Anordnung baugleicher Rekuperatorelemente (1) im Konvektionsteil (42) eines Rekuperators.