DE2950533A1 - Rekuperator - Google Patents

Description

Fried.Krupp Hüttenwerke AG, 46 3o Bochum

Rekuperator

ν Die Erfindung betrifft einen Rekuperator, der aus einer

Mehrzahl parallel angeordneter, beidseitig in Stirnplatten, Löcher in diesen durchdringend, eingesetzter Heißgasrohre und einer Zwangsführung für die die Heißgasrohre umströmenden vorzuwärmendei Gase besteht.

In der Stahlindustrie werden zum Beispiel zur Aufheizung der gegossenen Blöcke auf WaIztemperatur Tiefofen eingesetzt, bei denen zur Beheizung z.B. Schwachgase als Brennstoffe herangezogen werden. Um dabei eine hinreichende Temperatur des Ofenraums von z.B. 135o C zu erzielen, ist f. es erforderlich, daß die Verbrennungsmedien, in der Regel Luft und Gas, besonders hoch vorgewärmt werden. Je höher die Vorwärmung der eingesetzten Schwachgase, um so höher ist die erreichbare Endtemperatur der Brennerflamme. Diese Vorwärmung erfolgt durch Wärmeaustauscher im Abgaskanal des Tiefofens.

Um die große Wärmemenge der Abgase zu nutzen, wurden anfangs keramische Wärmeaustauscher eingesetzt, die einer hohen Temperaturbelastung unterworfen werden konnten. Nachteilig war bei diesen Wärmeaustauschern die große Undichtigkeit und die niedrige Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft, so daß eine exakte Flammenausbildung

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mit derart vorgewärmten Verbrennungsmedien trotz hoher Vorwärmung nicht möglich war. Aus diesem Grunde wurden Rekuperatoren aus hitzebeständingem Stahl entwickelt, deren Haltbarkeit allerdings Grenzen gesetzt sind. Bei den derzeit verwendeten hitzebeständigen Stählen ist eine längere Haltbarkeit der Wärmeaustauscher nur dann zu erwarten, wenn das Abgas eine Temperatur von 900 C nicht überschreitet. Da aber der Stahlblock z.B. auch einer Walztemperatur von 1250 C ausgesetzt wird, verlassen die heißen Abgase den Tiefofen mit Temperaturen von 1200 C und höher.

Man hat daher vor dem eigentlichen Wärmetauscher aus hitzebeständigem Stahl (Kanalkonvektionsrekuperator) einen kleineren Kanalkohvektionsrekuperator, luftseitig parallel geschaltet, angeordnet, der die heißen Abgase auf eine Temperatur abkühlen soll, die für den nachfolgenden Wärmetauscher aus hitzebeständigem Stahl vertretbar ist. Der vorgeordnete Wärmetauscher mußte aufgrund schnellen Verschleißes häufig ausgewechselt werden.

Denn bei Erreichen der Solltemperatur des Einsatzmaterials von 1200 - 1280 ⁰C wird, zum Zweck des Temperaturausgleiches im Material, die Brennstoffmenge und damit auch die Verbrennungsluftmenge kontinuierlich bis auf etwa 15 % der Maximalmenge gedrosselt. Dadurch ergibt sich bei höchster Abgastemperatür ein nur noch geringer Kühleffekt für die Rekuperatoren, zumal der Gesamtluftstrom aufgeteilt werden muß.

Während des Aufheizvorganges und nach Erreichen der Solltemperatur kommt es, besonders in Verbindung mit der sich entsprechend der abnehmenden Brennstoffmenge schließenden Abgasklappe hinter

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den Rekuperatoren, zu einer Aufladung des sich dem Ofen anschließenden Abgaskanals vor den Rekuperatoren bis zur Solltemperatur, so daß in Folge der Festkörperstrahlung der Wände sowie der Gasstrahlung der Abgasschichten die zulässigen Materialtemperaturen häufig überschritten werden.

Zur Verbesserung der Rekuperatorstandzeit wurden deshalb unter Zuhilfenahme eines Mischgitters erhebliche Kühlluftmengen direkt in den Abgaskanal vor den Wärmetauschern geblasen, um eine gewisse Abkühlung der Abgase zu erzielen. Diese Kühlluftmengen belasten die Saugzuganlage in hohem Maße und führen neben höheren Investitions- und Betriebskosten, bedingt durch groß dimensionierte Kanäle sowie Saugzug- und Kühlluftanlagen, wegen des kleineren ausnutzbaren Wärmegefälles zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der Ofenanlage.

Eine Standzeitverbesserung ist dadurch jedoch nur für den nachgeordneten Rekuperator erreicht worden.

Eine Verbesserung dieser bisher unbefriedigend gelösten Verhältnisse brachte die aus der DE-OS 2 5 25 9 28 bekannte Lösung. Sie besteht darin, daß bei dem vorgeordneten Wärmeaustauscher die dem heißen Abgas zugewandten Wände der Kanäle aus hitzebeständigem Stahl mit einer feuerfesten Schutzschicht ausgekleidet sind und die Kanäle von vorzuwärmenden Gasen umspült werden, wobei für die Führung der Gase Leitbleche eingebaut sind. Die Summe der Kanalquerschnitte ist ofenseitig, bezogen auf den Querschnitt des Abgaskanals unter Berücksichtigung der höchstzulässigen Abgasmenge möglichst klein und die verbleibende ofenseitige Stirnfläche

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ist mit einer starken Schicht aus feuerfestem Material versehen. Hierdurch wird einmal der vorgeordnete Wärmeaustauscher vor Überhitzung geschützt und außerdem Wärmeeinstrahlung in den Abgaskanal hinter dem vorgeordneten Wärmeaustauscher vermieden.

Der bekannte Rekuperator ist nur als dem eigentlichen vorgeschalteter Rekuperator geeignet, weil er sowohl im Hinblick auf seine Konstruktion, als auch im Hinblick auf die zulässigen Materialtemperaturen des nachgeschalteten Kanalrekuperators nur für Vorwärmtemperaturen bis zu ~* 300 ⁰C ausgelegt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung eines Rekuperators, der die Funktion des vor- und gleichzeitig des nachgeschalteten Wärmetauschers übernehmen kann. Es versteht sich natürlich, daß der erfindungsgemäß zu schaffende Rekuperator bei entsprechender Auslegung auch als vorgeschalteter Rekuperator verwendbar sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Rekuperator der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, daß die Zwangsführung der vorzuwärmenden Gase aus die Heißgasrohre in durch Distanzstücke festgelegtem Abstand umgebenden, mit , ihren Enden in Zu- bzw. Abfuhrsammelkanäle für die vorzuwärmenden Gase mündenden Mantelrohren besteht.

Zum Schutz des Rekuperators gegen die Wärmestrahlung aus den Heißgasen sollen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rekuperators die den Heißgasen ausgesetzten Innenwände der Heißgasrohre und die Stirnflächen des Rekuperators mit feuerfester Masse beschichtet sein.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mantelkühlung der Heißgasrohre wird gegenüber der aus der DE-OS 25 25 928 bekannten Lösung eine Intensivierung des Wärmeaustausche

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zwischen den Heißgasen und den die Mantelrohre durchströmenden vorzuwärmenden Gasen erreicht. Ein optimaler Wärmeaustausch wird bei einer Strömungsrichtung der vorzuwärmenden Gase in entgegengesetzter Richtung zu der Strömungsrichtung der Heißgase erzielt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rekuperators ist jedoch der Einströmkanal für die vorzuwärmenden Gase an die thermisch besonders hochbelastete Heißgasanströmseite des Rekuperators gelegt, wobei durch Anordnung eines Leitblechs in dem Einströmsammelkanal die vorzuwärmenden Gase zunächst an der Anströmseite C des Rekuperators zur Kühlung derselben entlanggeführt werden. Sie ν ■ gelangen dann in die durch das Leitblech abgetrennte zweite Kammer des Gaseinströmkanals, von der sich die vorzuwärmenden Gase in die einzelnen Mantelrohre zur Übertragung der Wärme der Heißgase verteilen. Dabei ergibt sich eine Strömungsrichtung der vorzuwärmenden Gase in derselben Richtung wie die der Heißgase.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rekuperators ist gekennzeichnet durch einen an sein Ende, an dem die Heißgase austreten, angesetzten, die Heißgase zunächst senkrecht, dann in entgegengesetzter Richtung und schließlich in Richtung quer zur Strömungsrichtung in den Heißgasrohren durch den Rekuperator und aus diesem in den Abgaskanal führenden Heißgaskanal. Die den Rekuperator verlassenden Heißgase werden dabei durch den Heißgaskanal nochmals quer durch den Rekuperator hindurchgeführt. Dadurch wird eine Intensivierung des Wärmeaustausches und eine Verminderung der Wärmespannungen im Rekuperator infolge unterschiedlicher Ausdehnung von Mantel- und Heißgasrohren bewirkt, weil die Termperaturunterschiede zwischen Heißgasrohr und Mantelrohr vermindert werden. Diese Lösung ermöglicht eine verhältnismäßig kurze Baulänge des Rekuperators. Bei gleichem Wärmeaustausch ohne diese zweifache Durchführung der Heißgase durch den Rekuperator müßte dessen Baulänge erheblich größer

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sein. Der Heißgaskanal kann aus einem metallischen Kasten mit keramischer Auskleidung bestehen. Er kann jedoch auch mindestens teilweise in den Abgaskanal eingeformt sein.

Um eine Wärmeausdehnung zu erleichtern, können gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rekuperators Kompensatoren in den Sammelkanälen für die vorzuwärmenden Gase vorgesehen sein.

Die Heizfläche des Rekuperators soll für die Gasvorwärmung C bis auf 75o° C ausgelegt sein.

Um den Rekuperator vor übermäßiger Wärmeeinstrahlung aus dem davor liegenden Heißgaskanal zu schützen, soll gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rekuperators die Summe der Eintrittsquerschnitte der Heißgasrohre 1o bis 25 %, vorzugsweise 15 bis 2o % der Anströmfläche des Rekuperators betragen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.,

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt,

s Fig. 2 einen Querschnitt des Rekuperators,

Fig. 3 einen Längsschnitt des Rekuperators als vorgeschalteter Wärmetauscher im eingebauten Zustand in einem Abgaskanal,

Fig. 4 einen Längsschnitt des Rekuperators in anderer Ausführungsform als eigenständiger (einziger) Wärmetauscher im eingebauten Zustand in einem Abgaskanal.

Der Rekuperator besteht aus einer Mehrzahl von Heißgasrohren 1, die konzentrisch von Mantelrohren 2 in einem durch Distanzstücke 3 festgelegten Abstand umgeben sind. Die Heißgasrohre sind in Stirnplatten 4,5 eingesetzt, die , wie auch die Heißgasrohre 1, durch keramische feuerfeste Masse 13,14,15 thermisch geschützt sind. Die kürzeren

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Mantelrohre 2 sind mit ihren Enden in parallelen Stirnplatten 6,7 eingeschweißt. Die sich im Abstand gegenüberstehenden Stirnplatten 4,6 bzw. 5,7 bilden in Verbindung mit den sie umgebenden Mantelblechen 8 bzw. 9 je einen Sammelkanal für die in den Rekuperator hinein- und wieder herausgeführten vorzuwärmenden Gase. Die Gase gelangen durch den Einströmstutzen 11 in den Einströmsammelkanal, der durch ein Leitblech 1o unterteilt ist, durchströmen dann den Zwischenraum zwischen den Mantelrohren 2 und den Heißgasrohren 1 unter Aufnahme der von den Heißgasen beim Durchströmen der Heißgasrohre 1 abgegebenen Wärme, gelangen in den Abströmsammelkanal und werden durch den Austrittsstutzen 12 abgeführt.

Der Raum 16 zwischen den Stirnplatten 6,7 und den Mantelrohren 2 kann mit Isoliermaterial ausgefüllt sein, wenn der Rekuperator einem Konvektionskanalrekuperator vorgeschaltet ist.

Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen ebenfalls als einem Konvektionskanalrekuperator vorgeschalteten Rekuperator, eingebaut in einen Abgaskanal 2o. Vor und hinter dem Rekuperator sind zusätzliche Schutzwände 17,18 angeordnet.. Dabei ist der Raum 16 zwischen den Stirnplatten 6,7 und den Mantelrohren 2 nicht mit Isoliermaterial ausgefüllt, sondern es sind an beiden Seiten Einstrahlungsräume 19 vorgesehen, die mit dem Abgaskanal 2o in Verbindung stehen. Beide Einstrahlungsräume 19 sowie der Raum 16 sind in Höhe der Luftein- bzw.-austrittsstutzen durch eine Hängedeckenkonstruktion oder durch ein Gewölbe abgedeckt.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rekuperator so ausgelegt, daß er die Funktion eines vor- und eines nachgeschalteten Wärmetauschers übernehmen kann. An der Abströmseite des Rekuperators ist ein Heißgaskanal 21

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angeordnet, der die Heißgase zunächst senkrecht, dann in entgegengesetzter Richtung und schließlich in Richtung quer zur Strömungsrichtung der Heißgase in den Heißgasrohren 1 umlenkt und durch den Rekuperator hindurch zu nochmaligem Wärmeaustausch und dann in den Abgaskanal 2o leitet. Der Heißgaskanal 21 kann durch einen metallischen mit feuerfestem Material beschichteten Kasten, aber auch durch eine entsprechende Ausformung des Abgaskanals gebildet sein.

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Leerseite

Claims (7)

COHAUSZ & ^LORACK PATENTANWALTSBÜRO SCHUMANNSTR. 97 · D-4OOO DÜSSELDORF Telefon: (02 11) 68 33 46 Telex: 0858 6513 cop d PATENTANWÄLTE: Dipl.-Ing. W. COHAUSZ Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dr.-Ing., Dipl.-WirlscK-lng. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ Ansprüche:

1.] Rekuperator, der aus einer Mehrzahl parallel angeordneter, beidseitig in Stirnplatten, Löcher in diesen durchdringend, eingesetzter Heißgasrohre und einer Zwangsführung für die die Heißgasrohre umströmenden vorzuwärmenden Gase besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsführung aus die Heißgasrohre (1) in durch Distanzstücke (3) festgelegtem Abstand umgebenden, mit ihren Enden in Zu- bzw. Abfuhrsairanelkanäle für die Gase mündenden Mantelrohren (2) besteht.

2. Rekuperator für Wärmeaustausch mittels Heißgasen, die eine Temperatur von 12oo° C oder höher haben, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von denHeißgasen umströmten Flächen der Heißgasrohre (1) und die Stirnflächen des Rekuperators mit feuerfester Masse (13,14,15) beschichtet sind.

3. Rekuperator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeic hnet durch einen an sein Ende, an dem die Heißgase austreten, angesetzten, die Heißgase zunächst senkrecht, dann in entgegengesetzter Richtung und schließlich in Richtung quer zur Strömungsrichtung in den Heißgasrohren (1) in den Rekuperator und aus diesem in den Abgaskanal (2o) führenden Heißgaskanal (21).

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ORIGINAL INSPECTED

4. Rekuperator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Platten (4,6; 5,7) und die Mantelbleche (8,9) gebildeten Gassammelkanäle mit Kompensatoren (22) ausgerüstet sind.

5. Rekuperator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfläche für die Gasvorwärmung bis auf 75o° C ausgelegt ist.

6. Rekuperator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch f gekennzeichnet, daß die Summe der Eintrittsquerschnitte der Heißgasrohre (1) 1o bis 25 %, vorzugsweise 15 bis 2o % der Anströmfläche des Rekuperators beträgt.

7. Rekuperator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gaseintrittssammelkanal (4,6,8) an der Heißgasanströmseite des Rekuperators ein Leitblech (1o) derart angeordnet ist, daß der Gaseintrittssammelkanal (4,6,8) in zwei vertikale, im Bodenbereich des Rekuperators miteinander in Verbindung stehende Kammern unterteilt ist, von denen die der Anströmfläche des Rekuperators näher liegende an den Gaseinströmstutzen (11) angeschlossen ist.

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