DE2822807A1

DE2822807A1 - Waermetauschervorrichtung

Info

Publication number: DE2822807A1
Application number: DE19782822807
Authority: DE
Inventors: Francois Touze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1978-11-30
Also published as: LU79707A1; ES470518A1; JPS5536684B2; ZA782955B; GB1600445A; AU3641878A; FR2392341A1; AU526452B2; IT7809477A0; US4210101A; NL7805708A; BE867437A; DE2822807C2; IT1103073B; FR2392341B1; BR7803334A; JPS5413016A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

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PLBA - 8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Francois TOUZE
Chateau de Logne
57310 Guenange
Frankreich

Wärmetauschervorrichtung

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr.-Inc·. H. Liska ______

-6-

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Francois TOUZE
Chateau de Logne
57310 GUENANGE
Frankreich

Wärmetauschervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung der Wand und der feuerfesten Auskleidung eines Hochofens und insbesondere Kühlkasten zum Einbau in die feuerfeste Verkleidung sowie Kühlplatten zur An-Ordnung zwischen der feuerfesten Auskleidung und einem Schutzmantel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ausreichende Kühlung der Teile des Hochofens mit einer minimalen Menge an Kühlflüssigkeit pro Zeiteinheit zu erreichen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsform eine Wärmetauschervorrichtung vorgeschlagen, umfassend einen geschlossenen länglichen Behälter in Form eines Drehkörpers oder mit einer drehkörperähnlichen Form, wobei der Behälter ein äußeres und ein inneres Ende aufweist, einen innerhalb des Behälters angeordneten axial verlaufenden Hohlkörper mit einem äußeren und einem inneren Ende, der zusammen mit dem Behälter einen achsparallel verlaufenden Ringraum begrenzt, eine Zutrittsöffnung zur Zufuhr von Kühlflüssigkeit in den axial verlaufenden Hohlkörper durch dessen äußeres Ende und eine Austrittsöffnung zum Abfließen der Kühlflüssigkeit aus dem Ringraum durch das äußere Ende des geschlossenen Behälters, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß Ablenkeinrichtungen zwischen dem inneren Ende des Hohlkörpers und dem inneren Ende des geschlossenen Behälters angeordnet sind, die so ausgebildet sind, daß sie der Kühlflüssigkeit eine Bewegung mit den folgenden Bewegungskomponenten erteilen:

eine zum inneren Ende des geschlossenen Behälters hin gerichtete Axialkomponente, um eine Kühlung des mittleren Bereiches des inneren Endes des geschlossenen Behälters zu erreichen, eine Radialkomponente, um eine Kühlung der übrigen Bereiche des inneren Endes des geschlossenen Behälters zu bewirken, eine zum äußeren Ende des geschlossenen Behälters hin gerichtete Axialkomponente, um einen Rücklauf der Kühlflüssigkeit zu bewirken, und eine Tangentialkomponente, um eine Kühlung der Mantelfläche des geschlossenen Behälters zu erreichen.

Dank dieser Anordnung ist sichergestellt, daß der Flüssigkeitsstrom der Kühlflüssigkeit auf die Innen-

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fläche des in dem heißen Teil des Hochofens gelegenen inneren Endesdes geschlossenen Behälters mit einer maximalen Geschwindigkeit trifft und daß aus diesem Grunde die Kühlung mit dem größten Wirkungsgrad erfolgt.

Dank der Anordnung von Ablenkeinrichtungen wird erreicht, daß die gesamte innere Oberfläche des inneren Endes des geschlossenen Behälters von der Kühlflüssigkeit bespült wird, die dann durch die Wirkung der Ablenkeinrichtung in eine schraubenförmige Bewegung versetzt und zum äußeren Ende des Behälters geleitet wird, wobei sie die gesamte Innenfläche des Behälters kontinuierlich bespült.

Schließlich wird aufgrund der der Kühlflüssigkeit durch die Ablenkeinrichtungen erteilten gleichmäßigen schraubenförmigen Bewegung erreicht, daß die Kühlflüssigkeit die Behälterwände kontinuierlich und ohne turbulente Bewegung bespült, wodurch die erhaltene Kühlwirkung maximal ist.

Um sicherzustellen, daß die Kühlflüssigkeit an der Austrittsöffnung mit einer hinreichenden Geschwindigkeit ankommt, soll die Tangentialkomponente der Flüssigkeitsströmung beim Austritt der Flüssigkeit aus den Ablenkeinrichtungen etwa zehnmal größer sein als die zum äußeren Ende des Behälters hin gerichtete Axialkomponente .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Ablenkeinrichtungen gleichmäßig verteilte Ablenkschaufeln, die so ausgebildet sind, daß sie dem

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das innere Ende des geschlossenen Behälters bespülenden Flüssigkeitsstrom eine Tangentialkomponente erteilen.

Die vorstehend beschriebenen Merkmale betreffen insbesondere Wärmetauschervorrxchtungen in Form von Kühlkästen.

Im Hinblick auf die Verwendung als Kühlplatten wird gemäß der Erfindung eine Wärmetauschervorrichtung vorgeschlagen, umfassend einen geschlossenen Behälter mit einer im wesentlichen abgeflachten Form (seine Länge ist verglichen mit seinem Durchmesser gering) oder mit einer drehkörperähnlichen Form bezüglich einer Drehachse, wobei der Behälter für einen Umlauf von Kühlflüssigkeit ausgebildet ist, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine in einem ersten Btreich des Behälters angeordnete Einspritzvorrichtung zum Einspritzen der Kühlflüssigkeit mit einer Tangentialkomponente und eine in einem zweiten Bereich des Behälters angeordnete Abzugseinrichtung zum tangentialen Abziehen der Kühlflüssigkeit, wobei sich die Einspritzvorrichtung in einem radialen Abstand von der Abzugseinrichtung befindet und wobei der Behälter, die Einspritzvorrichtung und die Abzugseinrichtung für die Kühlflüssigkeit so ausgebildet sind, daß die Flüssigkeit während einer Drehbewegung um die Drehachse des Behälters an keiner Stelle von dessen Innenraum auf ein Hindernis trifft.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Wärmetauschervorrichtung so ausgebildet, daß die Einspritzvorrichtung zur tangentialen Einspritzung der

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der Kühlflüssigkeit in eine äußere Seitenwand des Behälters einmündet und daß die Abzugsvorrichtung für die Kühlflüssigkeit nahe dem Zentrum des Behälters angeordnet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung läßt sich erreichen, daß die Kühlflüssigkeit an der Innenwand des Behälters eine maximale Menge an Kalorien pro Zeiteinheit abführt. Ferner werden bei der erfindungsgemäßen Tauschervorrichtung die Ladungsverluste während des Durchlaufes der Kühlflüssigkeit durch den Behälter minimal gehalten.

Durch die erfindungsgemäße Form der Wärmetauschervorrichtung wird für ihre Herstellung nur eine minimale Menge an Material benötigt, so daß selbst in dem Fall, wo man ein teures Material verwenden will wie beispielsweise Kupfer, die Gestehungskosten für die Wärmetauschervorrichtung niedrig bleiben.

Schließlich wird mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung erreicht, daß das Kühlwasser auf die am intensivsten zu kühlenden Teile mit der größten Geschwindigkeit auftrifft, so daß der Wärmeaustausch an diesen Abschnitten am wirksamsten ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beiliegenden Figuren die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer

ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Kühlkastens,

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Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Teiles des Kühlkastens gemäß Fig. 1,

Fig. 4 und 5 eine weitere Ausführungsform eines Teiles eines Kühlkastens der in der Fig. 1 darge

stellten Art in einer Seitenansicht bzw. einer Ansicht von unten, und

Fig. 6 und 7 eine Seitenschnittansicht bzw. eine Schnittansicht von oben einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann zwar in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden, jedoch
finden sich für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
besonders interessante Anwendungsfälle in dem Bereich der Eisenverhüttung, insbesondere in Hochöfen, in denen man insbesondere einerseits die feuerfeste Auskleidung und andererseits den die feuerfeste Auskleidung außen umgebenden aus Stahl bestehenden Schutzmantel wirksam kühlen muß.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Kühlvorrichtung 1 für den Schutzmantel 2 eines Hochofens, wobei eine derartige Vorrichtung häufig als Kühlkasten bezeichnet wird.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, zeigt sich der dieser
Ausführungsform entsprechende Kühlkasten 1 in Form
eines länglichen rohrförmigen, als Rotationskörper
ausgebildeten Elementes.

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Der Kühlkasten durchsetzt den Schutzmantel 2 des Hochofens in einer in diesem ausgebildeten Durchbrechung 3 und ist so angeordnet, daß seine Drehachse 4 im wesentlichen horizontal liegt. Auf dem größten Teil seiner Länge ist der Kühlkasten daher von feuerfestem Material 5 umgeben, wobei auch die Nase 6 oder das zum Inneren des Hochofens und damit zur Wärmequelle hinweisende Ende des Kühlkastens 1 innerhalb des feuerfesten Materials 5 liegt oder im Gegenteil aus diesem herausragt, je nachdem, wie weit das feuerfeste Material abgenutzt ist. Der Kühlkasten 1 ist aus einem die Wärme gut leitenden Material hergestellt, das thermischen und mechanischen Belastungen ohne Beschädigungen gut widerstehen kann. Man verwendet hierzu häufig Stahl, Gußeisen, Kupfer oder eine Legierung mit einem starken Gehalt an Kupfer. Der Kühlkasten 1 ist an dem als Panzerung dienenden Schutzmantel 2 auf irgendeine geeignete Weise befestigt, beispielsweise durch Schweißen mit oder ohne Zwischenlegen einer Schutzhülle je nach Art des für die Herstellung des Kühlkastens verwendeten Materials,

Der Kühlkasten besteht aus einer geschlossenen Hülle 7, die folgende Teile umfaßt:

Eine Seitenwand 8, die zylindrisch (wie in der Fig. 1) oder leicht kegelstumpfförmig mit zur Nase 6 hin abnehmendem Durchmesser ausgebildet ist, um das Einsetzen oder das Herausziehen des Kühlkastens durch die Durchbrechung 3 in dem Schutzmantel 2 zu erleichtern,

eine erste Stirnwand 9 an dem außerhalb des Schutzmantels 2 liegenden Ende des Kühlkastens 1, wobei diese Stirnwand 9 eben ausgebildet sein kann und

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eine zweite Stirnwand 1O an der Nase 6 des Kühlkastens 1, wobei diese Stirnwand 10 eben (wie in der Figur 1 dargestellt) oder gewölbt ausgebildet sein kann.

Diese Hülle 7 begrenzt einen geschlossenen Hohlraum 11, in dem eine Kühlflüssigkeit bewegt wird, wie das später noch beschrieben werden wird.

Die Innenfläche 12 der Seitenwand 8 weist keinerlei Unebenheiten auf, und ist vollständig glatt, um keine Turbulenzen in der bewegten Flüssigkeit zu erzeugen.

In dem Kühlkasten 1 ist eine Einspritzöffnung 13 und eine Austrittsöffnung 14 für die Kühlflüssigkeit vorgesehen, wobei diese beiden Öffnungen an den einander axial entgegengesetzten Enden des Kühlkastens 1 angeordnet sind.

Da die Nase 6 des Kühlkastens 1 den der Wärmequelle nächstgelegenen Abschnitt des Kühlkastens 1 bildet, ist es wünschenswert, daß die Kühlflüssigkeit an diesem Ort eingespritzt wird. Zu diesem Zweck ist eine Leitung 15 vorgesehen, welche durch die Stirnwand 9 des Kühlkastens 1 dicht hindurchgeführt ist und deren Mündung 13 in unmittelbarer Nähe der Innenfläche der Stirnwand 10 liegt. Wie noch später erläutert werden wird, ist zu diesem Zweck die Leitung 15 geradlinig, wobei ihre Achse mit der Drehachse der als Drehkörper ausgebildeten Hülle 7 zusammenfällt. Aufgrund dieser Anordnung ist die Austrittsöffnung 14 nahe der Stirnwand 9 angeordnet.

Um sicherzustellen, daß die Kühlflüssigkeit die Innenflächen der Wände der Hülle 7 kontinuierlich umspült

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und insbesondere die Innenfläche 12 der Seitenwand 8, wird die Masse der Kühlflüssigkeit in eine Drehbewegung um die Drehachse 4 der Hülle 7 versetzt.

Um nicht die Herstellung und die Wartung der Vorrichtung zu komplizieren, wird die Flüssigkeit auf einfache Weise dadurch in Drehung versetzt, daß man die Flüssigkeit durch die Einspritzöffnung 13 mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente einspritzt.

Hierzu muß gesagt werden, daß die Nase 6 der Abschnitt des Kühlkastens 1 ist, der der Wärme am meisten ausgesetzt ist. Daher muß an der Nase 6 die maximale Kühlleistung erbracht werden. Es ist daher wichtig, daß die aus der Einspritzöf fnung 13 austretende Flüssigkeit nicht nur längs Pfeile 60 in Fig. 1 auf den mittleren Bereich der Innenfläche der Stirnwand 10 auftrifft, da ja die Leitung 15 axial verläuft, sondern daß darüberhinaus von diesem Augenblick an die Flüssigkeit radial abgeleitet wird (Pfeile 61 in den Fig. 1 und 2), um die gesamte Innenfläche der Nase 6 zu bespülen. Dank dieser Führung der Flüssigkeit wird die gesamte Nase 6 des Kühlkastens 1 gekühlt.

Danach muß die Kühlflüssigkeit in Richtung auf die erste Stirnwand 9 und die Austrittsöffnung 14 unter Ausführung einer schraubenförmigen Bewegung (Pfeile 62 in Fig. 1) längs der Innenfläche 12 der Seitenwand 8 geführt werden. Daher weist die Bewegung der Flüssigkeit zwei Geschwindigkeitskomponenten auf:

Eine axiale Komponente (Pfeil 6 3 in Fig. 1) die in Richtung der ersten Stirnwand 9 weist und die Rückkehr

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der Flüssigkeit zum rückwärtigen Ende des Kühlkastens gewährleisten soll,

und eine tangentiale Komponente (Pfeil 64 der Fig. 2) welche eine Drehbewegung der Flüssigkeit längs der Seitenwand 8 bewirken soll, um letztere zu kühlen.

Natürlich ist die vorstehend beschriebene Zerlegung der von der aus der Einspritzöffnung 13 austretenden Flüssigkeit durchgeführten Bewegung rein theoretisch, während in der Praxis diese verschiedenen Bewegungen miteinander kombiniert sind.

Zur Erreichung der Drehbewegung sind an der Innenfläche 16 der Stirnwand 10 Aushöhlungen oder Vorsprünge 17 ausgebildet, welche Schaufeln in Form von Spiralabschnitten bilden, die um die Einspritzöffnung 13 herum angeordnet sind und die Rolle von Leitflächen spielen, um der durch die axial gegenüberliegende Einspritzöffnung 13 eingespritzten Flüssigkeit einer Tangentialkomponente zu erteilen.

Nach seinem Austritt aus der Einspritzöffnung 13 tritt daher der Flüssigkeitsstrom auf die Innenfläche der Nase 6 und wird von dort aus sofort radial längs der Stirnwand 10 abgelenkt (Pfeile 61), wobei die Flüssigkeit gleichzeitig durch die Schaufeln 17 in tangentialer Richtung abgelenkt wird (Pfeil 64).

Damit die Drehbewegung der Flüssigkeit gleichmäßig und ohne Turbulenz erfolgt, ist es ferner zweckmäßig wenn das Abführen der Flüssigkeit durch die am entgegengesetzten Ende des Kühlkastens 1 liegende Austrittsöffnung 14 ebenfalls tangential erfolgt und

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die Ausflußleitung 18 in geeigneter Weise relativ zu der Seitenwand 8 der Hülle 7 angeordnet ist.

Da die Innenfläche 12 der Seitenwand 8 der Hülle 7 glatt ist und die Leitung 15 koaxial zur Drehachse 4 der Hülle 7 verläuft, ist sichergestellt, daß unter der Wirkung der tangentialen Geschwindigkeitskomponente der durch die Einspritzöffnung 13 eingespritzt Flüssigkeit diese in eine ungestörte Drehbewegung versetzt wird und daß die Flüssigkeit gleichmäßig von der Stirnwand 10 zum rückwärtigen Teil des Kühlkastens 1 strömt und dabei kontinuierlich die Seitenwand 8 der Hülle 7 bespült.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Ablenkmittel in einem dem Schnitt in Fig. 2 entsprechenden Schnitt.

In dem Kühlkasten 65 sind die Ablenkmittel oder Leitflächen von zwei vorspringenden Wänden 67 und 68 gebildet, welche jeweils Bogenabschnitte zweier umeinander herumgerollter Spiralen darstellen. Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die beiden vorspringenden Wände an der Innenseite der Stirnwand an der Nase des Kühlkastens 65 angeordnet.

Wie man in Fig. 3 erkennt, umfaßt die Wand 67 einen zentralen Abschnitt 69, d.h. einen Abschnitt, der in dem Bereich starker Krümmung der Spirale quer vor einer Einspritzöffnung 70 einer Zuleitung 66 angeordnet ist. Dieser zentrale Abschnitt 69 besitzt zwei Teile von im wesentlichen gleicher Länge, die ineinander entgegengesetzter Richtung gekrümmt sind, so daß

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der zentrale Abschnitt 69 im wesentlichen die Form eines S aufweist.

Im Anschluß an den zentralen Abschnitt 69 (in Fig. 3 nach links) ist die Wand 67 spiralförmig mit kontinuierlieh zunehmenden Krümmungsradius um im wesentlichen eine volle Windung aufgewickelt. Nach etwa einer vollen Windung trifft sie bei 71 auf die Seitenwand 72 des Kühlka s ten s 65.

Was die andere vorspringende Wand 68 betrifft, so beginnt sie im wesentlichen an dem die Drehachse der Hülle des Kühlkastens 65 mit der Verbindungsstelle 71 zwischen der Spiralwand 67 und der Seitenwand 72 verbindenden Radius. Dann verläuft sie in einer zu der von der Wand 67 beschriebenen Spirale im wesentlichen parallelen Spirale im wesentlichen um eine halbe Umdrehung und vereinigt sich dann tangential mit der Seitenwand 72 an einer Stelle 73, die der Verbindungsstelle 71 im wesentlichen diametral gegenüberliegt.

Wenn die Kühlflüssigkeit aus der Einspritzöffnung 70 der Zuleitung 66 austritt, wird sie durch den S-förmigen Abschnitt 69 in zwei Teilströme unterteilt. Ein erster Teil der Flüssigkeit wird in Richtung des Pfeiles 74 in Drehung versetzt und fließt längs der Wand 77 und von dieser in den Raum zwischen der Wand 68 und der Außenwand 72 der Hülle. Ein zweiter Teil der FJ.üssigkeit wird in Richtung des Pfeiles 75 in Drehung versetzt und fließt in den zwischen den Wänden 67 und 68 gelegenen Raum und von dort in den zwischen den Wänden 67 und gelegenen Raum.

Dank der Länge der Wände 67 und 68, die wesentlich größer ist als die Länge der Schaufeln 17 bei dem Kühlkasten

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gemäß den Fig. 1 und 2, erhält man eine gleichmäßigere Drehbewegung der Flüssigkeit, die über längere Zeit hin geführt wird.

Um den erhaltenen Effekt noch zu verbessern, kann man vorsehen, daß der S-förmige Abschnitt 69 der Wand 67 ein wenig in die Zuleitung 66 eindringt. Damit wird der Flüssigkeitsstrom vor seinem Austritt aus der Zuleitung in zwei Teilströme unterteilt und die Drehbewegung der Flüssigkeitsteilströme kann bereits etwas vor dem Austritt der Flüssigkeit aus der Einspritzöffnung 70 eingeleitet werden.

Um ferner eine längere Führung der Flüssigkeitsteilströme zu erreichen, können die Wände 67 und 68 noch um ein kurzes Stück längs der Seitenwand 72 des Kühlkastens 65 verlängert sein, um Störungen der Flüssigkeitsteilströme zu beseitigen,die diese bei ihrem Übergang von der Bahnführungsebene zwischen der Innenfläche der Stirnwand an der Nase des Kühlkastens und der Innenfläche der Seitenwand 72 erfahren haben.

In dem Kühlkasten 65 gemäß Fig.3 besitzt die Zuleitung 66 für die Kühlflüssigkeit einen etwas größeren Durchmesser, als die Zuleitung 15 bei dem Kühlkasten gemäß den Fig. 1 und 2.

Natürlich können die Ablenkeinrichtungen auch an dem Ende der Zuleitung angeordnet sein, so daß sie um die Einspritzöffnung für die Flüssigkeit herum liegen.

Die Fig. 4 und 5 stellen eine Kombination dar, bei welcher ein Teil der Ablenkeinrichtungen an dem Ende der Zuleitung für die Flüssigkeit angeordnet ist, wobei

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diese Ablenkeinrichtungen eine erste Drehbewegung hervorrufen, während ein zweiter Teil der Ablenkeinrichtungen an der Innenfläche der Nase des Kühlkastens angeordnet ist, wobei diese Ablenkeinrichtungen die Drehbewegung der Flüssigkeit vervollständigen.

Wie man in den Fig. 4 und 5 erkennt, weist der Kühlkasten 80, der in seiner Gesamtheit wie der Kühlkasten 1 gemäß Fig. 1 ausgebildet sein kann, eine ringförmige Hülle 81 auf, welche die Zuleitung 82 für die Flüssigkeit umgibt und mit einer Außenhülle 83 eine Ringkammer 84 begrenzt, in welcher die Kühlflüssigkeit in Form einer relativ dünnen Schicht mit großer Geschwindigkeit schraubenförmig umlaufen soll.

An seiner Austrittsöffnung 8 2a ist die Flüssigkeitszuleitung 82 mit einem Ablenkstück 85 versehen, welches teilweise in die Flüssigkeitszuleitung eingreift und mit der Innenfläche 86 der Nase 87 des Kühlkastens 80 anstößt.

Das Ablenkstück 85 besitzt,in einem Querschnitt betrachtet,die Form eines Drehkreuzes mit vier Armen 88, wobei jeder Arm 88 in axialer Richtung derart bogenförmig gekrümmt ist, daß er eine Ablenkschaufel 89 bildet. Das Ablenkstück 85 besteht aus einem in das Ende der Flüssigkeitszuleitung 82 eingesetzten Teil.

Die Innenfläche 86 der Nase 87 des Kühlkastens 80 ist nicht eben sondern im wesentlichen kegelstumpfförmige ausgebildet mit einem Mittelabschnitt, der die Form einer Kugelkalotte aufweist. Die ganze Anordnung stellt eine zum Inneren der Hülle hinweisende Erhebung dar. Im

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übrigen trägt diese Innenfläche 86 Ablenkflächen in Form von Spiralbogenstücken 90 bis 93, die parallel zur Drehachse der Hülle von der Innenwand 86 vorspringen.

Eine erste Wand 90 ist gegenüber einer der Ablenkschaufein 89 des Ablenkstückes 85 angeordnet und krümmt sich mit einer der Krümmung der Ablenkschaufel entsprechenden Anfangskrümmung spiralförmig annähernd um eine vollständige Umdrehung, wobei der Krümmungsradius kontinuierlich zunimmt.

Eine zweite Wand 91 beginnt im wesentlichen auf Höhe des freien Endes der ersten Wand 90, wobei sie gegenüber der von der Wand 90 beschriebenen Spirale nach radial innen um einen Abstand e von der Wand 90 versetzt ist. Ferner stehen sich die Wände 90 und 91 in einem gekrümmten Bereich 1 gegenüber. Die Wand 91 erstreckt sich ihrerseits längs ihres Spiralbogens etwa über eine Viertel-Umdrehung.

Eine dritte Wand 92 beginnt in einem Abstand e von der Wand 91, wobei sich die beiden Wände auf einer Länge 1 gegenüberliegen, und erstreckt sich längs eines Spiralbogens etwa über eine Viertel-Umdrehung.

Schließlich erstreckt sich eine vierte Wand 93, die in einem Abstand e von der Wand 92 und auch von der Wand 90 liegt, längs eines Spiralbogens im wesentlichen parallel zur Wand 90 etwa über eine Viertel-Umdrehung .

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Wie man in Fig. 4 erkennt, sind die freien Ränder der Ablenkwände 90 bis 93 coplanar untereinander und mit der Stirnwand der ringförmigen Hülle 81, wobei diese Stirnwand ebenfalls eben ist und an den freien Rändern der Ablenkwände 90 bis 93 anliegt. Auf diese Weise ist eine Gruppe von spiralförmigen Kanälen unterschiedlicher und abnehmender Breite (betrachtet in Strömungsrichtung der Flüssigkeit) geschaffen, die untereinander durch Durchgänge der Länge 1 und der Breite e verbunden sind.

Dank dieser Ausbildung wird die durch die Flüssigkeitszuleitung 82 zugeführte Kühlflüssigkeit zunächst durch das Ablenkstück 85 mit seinen Ablenkschaufeln 89 vor seinem Austritt durch die Austrittsöffnung 82a der Flüssigkeitszuleitung 82 in Drehung versetzt. Danach wird der Flüssigkeit eine weitere kontinuierliche Drehbewegung durch die Ablenkwände 9 0 bis 93 erteilt.

Aufgrund der Lage der Ablenkwände 90 bis 93 relativ zueinander wird die Flüssigkeit gezwungen, durch einen Durchgang der Breite e hindurchzüströmen, welcher Bahn sie auch folgt. Aufgrund der Enge dieser Durchgänge wird die Flüssigkeit bei ihrem Durchgang beschleunigt, womit sichergestellt werden kann, daß die Kühlflüssigkeit eine schraubenförmige Bahn in der Ringkammer 84 mit einer hinreichend hohen tangentialen Geschwindigkeitskomponente beginnt, um am anderen Ende des Kühlkastens mit einer Tangentialgeschwindigkeit anzukommen, welche das Abfließen der Flüssigkeit allein durch die Massenträgheit ermöglicht. Versuche haben gezeigt, daß zum Erhalten dieses Ergebnisses die Tangentia!komponente etwa zehnmal größer sein muß als die zum äußeren Ende des Kühlkastens gerichtete Axialkomponente.

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Selbstverständlich kann der vorstehend beschriebene Kühlkasten selbst in verschiedener Weise ausgebildet sein.

Man könnte beispielsweise ein aus einem einzigen Block hergestelltes beispielsweise gegossenes Teil vorsehen, das an seiner einen Seite das Ablenkstück 85 trägt und auf seiner anderen Seite die Ablenkwände 90 bis 93. Dieses Stück könnte in das Ende der Flüssigkeitszuleitung 82 eingesetzt werden und an der Innenseite der Stirnfläche 87 an der Nase des Kühlkastens anliegen.

Man könnte ebenfalls vorsehen, das Ablenkstück 85 zusammen mit der Stirnfläche 87 des Kühlkastens und den Ablenkwänden 90 bis 93 zu gießen. In diesem Falle wird das Ablenkstück 8 5 in das Ende der Leitung 8 2 eingeführt, wenn diese in den Kühlkasten eingebaut wird, wobei das Ablenkstück 85 das Zentrieren der Zuleitung erleichtert.

Anhand der Fig. 6 und 7 soll nun eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben werden, die ebenfalls als Kühlkasten zur Kühlung des Schutzmantels eines Hochofens verwendbar ist.

Es handelt sich aber in diesem Falle um einen abgeflachten Kasten, der in den zuständigen Fachkreisen üblicherweise als Kühlplatte bezeichnet wird. Dieser Ausdruck soll in der folgenden Beschreibung beibehalten werden.

Derartige Platten werden nicht in dem feuerfesten Material angeordnet, wie dies bei den vorstehend beschriebenen länglichen Kühlkasten der Fall war, sondern zwischen dem feuerfesten Material und der Innenfläche

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des Schutzmantels, so daß sie eine kontinuierliche oder diskontinuierliche thermische Abschirmung darstellen, je nach der Größe der Intervalle ,die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kühlplatten zwischen der Wärmequelle und dem Schutzmantel gelassen sind.

Die Kühlplatten bestehen wie die länglichen Kühlkästen aus einem thermisch gut leitenden und mechanisch widerstandsfähigen Material, wie beispielsweise Stahl, Gußeisen oder Kupfer.

In den Fig. 6 und 7 ist eine erfindungsgemäße Kühlplatte 20 dargestellt, die eine flache Form aufweist, wobei ihre parallel zueinander verlaufenden Flächen 21 und 22 mit dem Schutzmantel 23 bzw. dem feuerfesten Material 24 in Berührung stehen. Die Kühlplatte 20 ist hohl, um eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen.

Die zueinander parallelen Flächen 21 und 22 sind rund. An einer im wesentlichen zylindrischen Seitenwand mündet tangential eine Einspritzöffnung 25 in die Kühlplatte .

Eine Abflußöffnung 27 öffnet sich innerhalb der Kühlplatte tangential nahe dem Zentrum derselben und ein innerer Abschnitt 28 der Abflußleitung krümmt sich in Richtung auf das Zentrum der Kühlplatte hin und ist so gebogen, daß er aus der Kühlplatte durch eine Seitenwand im Zentrum derselben austritt. Die Flüssigkeitszuleitung 25a und die Flüssigkeitsableitung 27a sind im wesentlichen senkrecht zur Kühlplatte angeordnet.

Die Kühlplattenanordnung weist somit im wesentlichen eine einem Schneckenhaus ähnliche Form auf.

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Man sieht, daß die Achsen der Einspritzöffnung 25 und der Austrittsöffnung 27 sich in einem Abstand R bzw. einem Abstand r von dem Mittelpunkt C der Kühlplatte entfernt befinden. Damit die einströmende Plüssigkeitsmenge gleich der ausströmenden Flüssigkeitsmenge ist, muß daher der Querschnitt S der Austrittsöffnung 27 größer sein als der Querschnitt s der Eintrittsöffnung 25.

Die Gleichheit der ausströmenden und der einströmenden Menge führt zu folgender Beziehung:

V₁ · s = V₂ · S,

dabei bezeichnen V₁ und V„ die Eintrittsgeschwindigkeit bzw. Austrittsgeschwindigkeit, die mit den Radien R und r in folgendem Verhältnis stehen:

^V1 ^V
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Folglich muß folgende geometrische Bedingung erfüllt sein;

In der gleichen Weise wie bei dem länglichen Kühlkasten gemäß Fig. 1 dürfen die Innenwände der Kühlplatte keine Unebenheiten aufweisen, um nicht Turbulenzen in der sich bewegenden Flüssigkeit zu erzeugen.

Während des Betriebes wird die Flüssigkeit aufgrund ihrer tangentialen Einspritzung durch die Einspritzöffnung 25 in Drehung versetzt und bespült gleichmäßig jeden Punkt der Innenwände der Kühlplatte. Man kann sich vorstellen,

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daß der Flüssigkeitsstrom nach seinem Eintritt durch die Einspritzöffnung 25 sich in dem Hohlraum der Kühlplatte einrollt, bevor er zur Austrittsöffnung 27 gelangt.

-Aufgrund der Tatsache, daß die Kühlflüssigkeit mittels geeigneter Ablenkexnrxchtungen in Drehung versetzt wird und daß die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung in einander gegenüberliegenden Bereichen der Vorrichtung angeordnet sind, ist sichergestellt, daß jeder Bereich der zu kühlenden Wand von der Kühlflüssigkeit bespült und daher in wirksamer Weise gekühlt wird.

Da die Wände keinerlei Unebenheiten aufweisen und sich nichts der Drehbewegung der Flüssigkeit entgegenstellt, werden in dieser auch keinerlei Turbulenzen erzeugt und alle Bereiche der zu kühlenden Wand, um welche Bereiche es sich auch handelt und wo immer sie auch liegen mögen, werden in gleicher Weise und mit dem gleichen Wirkungsgrad gekühlt. Darüberhinaus werden Ladungsverluste in dem Flüssigkeitskreislauf praktisch eliminiert.

Daher ist es möglich, auf sehr genaue Weise die minimale Flüssigkeitsmenge zu berechnen, die in die Hülle eingespritzt werden muß, um eine vorbestimmte Kühlung zu erreichen. Daher kann auch eine wesentliche Einsparung bei der zur Kühlung notwendigen Flüssigkeitsmenge erreicht werden, was eine Senkung der Kosten für die Kühlung bedeutet.

Man kann ferner die zur Kühlung notwendige Flüssigkeit genau so berechnen, daß sie sich maximal erwärmt, wobei diese Erwärmung bis zur Verdampfung der Flüssigkeit gehen kann. Dies ermöglicht,den Wirkungsgrad der Vor-

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richtung noch weiter zu verbessern, da der austretende Dampf zur Bewegung der Kühlflüssigkeit herangezogen werden kann.

Die geometrische Form der die Vorrichtung bildenden Teile ist vereinfacht, wodurch man die Mengen des zur Herstellung benötigten Materials verringern und die Herstellungskosten senken kann. Damit verringern sich auch die Gesamtkosten für die Vorrichtung. Man kann daher eine Herstellung der Vorrichtung aus Stahl, Gußeisen oder Kupfer ins Auge fassen.

Es ist möglich, mehrere erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen vorzusehen, indem man diese untereinander verbindet. Auf diese Weise kann man eine Kopplung mehrerer länglicher Kühlkasten untereinander, eine Kopplung zwischen einem einen derartigen Kühlkasten umgebenden Kühlkasten oder eine Kopplung zwischen mehreren Kühlplatten untereinander erreichen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska PLBA - 8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 Patentansprüche

1. Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung der Wand und der feuerfesten Auskleidung eines Hochofens, umfassend einen geschlossenen länglichen Behälter in Form eines Drehkörpers oder mit einer drehkörperähnlichen Form/ wobei der Behälter ein äußeres und ein inneres Ende aufweist, einen innerhalb des Behälters angeordneten- axial verlaufenden Hohlkörper mit-einem äußeren und. einem .inneren Ende, der zusammen mit dem'Behälter einen achsparallel verlaufenden Ringraum begrenzt, eine Zutrittsöffnung zur Zufuhr von. Kühlflüssigkeit in den axial verlaufenden Hohlkörper durch dessen äußeres Ende und eine Austrittsöffnung zum Abfließen der Kühlflüssigkeit aus dem Ringraum durch das äußere Ende des geschlossenen Behälters, dadurch gekennzeichnet , daß Ablenkeinrichtungen (17; 67, 68; 85, 90 bis 93) zwischen dem inneren Ende des Hohlkörpers (15; 66; 82) und dem inneren Ende des geschlossenen Behälters (7; 65; 80) angeordnet sind, die so ausgebildet sind, daß sie der Kühlflüssigkeit eine Bewegung mit den folgenden Bewegungskomponenten erteilen:

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eine zum inneren Ende des geschlossenen Behälters (7; 65; 80) hin gerichtete Axialkomponente, um eine Kühlung des mittleren Bereiches des inneren Endes des geschlossenen Behälters (7; 65; 80) zu erreichen, eine Radialkomponente, um eine Kühlung der übrigen Bereiche des inneren Endes des geschlossenen Behälters (7; 65; 80) zu bewirken, eine zum äußeren Ende des geschlossenen Behälters (7; 65; 80) hin gerichtete Axialkomponente, um einen Rücklauf der Kühlflüssigkeit zu bewirken, und eine Tangentialkomponente, um eine Kühlung der Mantelfläche (8; 72; 83) des geschlossenen Behälters (7; 65; 80) zu erreichen.

2. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangentialkomponente am Ausgang der Ablenkeinrichtungen (17; 67, 68; 85, 90 bis 93) etwa zehnmal größer ist als die zum äußeren Ende des geschlossenen Behälters (7; 65," 80) hin gerichtete Axialkomponente.

3. Wärmetauschervorrxchtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkeinrichtungen in einer regelmäßigen Anordnung verteilte Ablenkschaufeln (17) aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie dem das innere Ende des geschlossenen Behälters (7) überstreichenden Flüssigkeitsstrom eine Tangentialkomponente erteilen.

4. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Ablenkschaufeln (17) in den Ringraum hinein erstrecken.

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ü: b 2 ^ 8 ο

5. Wärraetauschervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkschaufeln (17) an dem inneren Ende (10) des geschlossenen Behälters (7) angeordnet sind.

6. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkschaufeln (17) an dem inneren Ende des axial verlaufenden Hohlkörpers (15) angeordnet sind.

7. Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung der Wand oder der feuerfesten Auskleidung eines Hochofens, umfassend einen geschlossenen Behälter mit einer im wesentlichen abgeflachten Form (seine Länge ist verglichen mit seinem Durchmesser gering) oder mit einer drehkörperähnlichen Form bezüglich einer Drehachse, wobei der Behälter für einen Umlauf von Kühlflüssigkeit ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine in einem ersten Bereich des Behälters (20) angeordnete Einspritzvorrichtung (25, 25a) zum Einspritzen der Kühlflüssigkeit mit einer Tangentialkomponente und eine in einem zweiten Bereich des Behälters (20) angeordnete Ab zugseinrichtung (27, 28, 27a) zum tangentialen Abziehen der Kühlflüssigkeit, wobei sich die Einspritzvorrichtung (25, 25a) in einem radialen Abstand von der Abzugseinrichtung (27, 28, 27a)befindet und wobei der Behälter (20) , die Einspritzvorrichtung (25, 25a) und die Abzugseinrichtung (27, 28, 27a) für die Kühlflüssigkeit so ausgebildet sind, daß die Flüssigkeit während einer Drehbewegung um die Drehachse des Behälters (20) an keiner Stelle von dessen Innenraum auf ein Hindernis trifft.

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8. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzvorrichtung (25, 25a) zur tangentialen Einspritzung der Kühlflüssigkeit in eine äußere Seitenwand (26) des Behälters (20) einmündet und daß die Abzugsvorrichtung (27, 28, 27a) für die Kühlflüssigkeit nahe dem Zentrum des Behälters (20) angeordnet ist.

9. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt der Einspritzvorrichtung (25, 25a) kleiner ist als der Querschnitt der Abzugseinrichtung (27, 28, 27a).

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