-
Beschreibung
-
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmetechnik, und betrifft
insbesondere Wärmeaüstauscher.
-
Besonders erfolgreich kann die vorliegende Erfindung in der energetischen,
chemischen, petrolchemischen, lebensmittel~ @echnischen und in anderen Industriezweigen
zur Erwärmung oder zur Abkühlung von Wasser, Dampf, Gas sowie auch als Winterhitzer
für Industrieöfen, insbesondere für Gaskupolöfen vermendet werden, die mit Heißwind
betrieben werden.
-
Zur Zeit findet in der Industrie # eine immer weitergehende Anwendung<die
Verwertung der Wärme der Abgase>, wodurch der Verbrauch von Brennstoff vermindert
wird, der mit jedem Jahr immer schwerer beschaffbar wird.
-
Beim Schmelzen von Metall und der mineralischen Werkstoffen in Kupolöfen,
die mit einem festen oder einem gasförmien Brennstoff betrieben werden, enthalten
die abgehenden Verbrennungsprodukte brennbare Gase und Eigenwärme. Beim Nachbrennen
solcher Gase erhält man eine Temperatur von etwa 1000°C.
-
Deshalb werden an Rohren von Kupolöfen zweckmäßigerweise Winderhitzer
angebracht, die es gestatten die Wärme der Abgase zur Erwärmung der Luft zu benutzen,
die in das Schmelzaggregat zur Brennstoffverbrennung zugeführt wird. Dadurch wird
es möglich, nicht nur den Brennstoff einzusoaren, sondern auch die Temperatur des
herzustellenden Schmelzgutes zu erhöhen. eine weni-
ger oxydierende Atmosphäre in Ofen herzustellen die Leistung des Schmelsaggregates
zu steigern.
-
Eine große Wärmemenge geht in Trocken-, Wärm-, Vergütungsofen sowie
in den Feuerungen der Wärmekraftwerke verloren.
-
So, z.B. erreicht die Temperatur der Abgase bei der Erhitzung von
Stahlblbeken in Ofen auf eine Temperatur von 900--1000° einen Wert von 1100-1300°C.
Deshalb kann durch die Anordnung eines Winderhitzers (Wärmeaustauschers) auf dem
Wege der Abgase eine bedeutende Einsparung von Brennstoff erreicht werden, der,
z.B. fUr die Erwärmung der Luft in ofen notwendig ist.
Die zur'in Betrieb befindlichen Wärmeaustauscher, wobei als solche Rohre der Ofen
selbst benutzt werden können sind vom konstruktiven Standpunkt aus
kostspielig in und der Herstellung, unbequem im Betrieb und in der Bedienung Kwei
sen eine geringe Lebensdauer auf. Außerdem ist deren Ausbesserung mit Schwierigkeiten
verbunden und fur deren Herstellung wird eine große Menge an hochwertigen und
Werkstoffen verbraucht.
-
Es ist ein Wärmeaustauscher bekannt, der in Form von innerhalb des
Ofenrohres angeordneten Winderhitzern aus Stahlrohren ausgeführt ist. (S. Buch von
Klezkin G.I.
-
"Rohreisenguß im Werkzeugmaschinenbau", Verlag "Maschinenbau", Moskau,
herausgegeben 1975, Seiten 70-71).
-
zu-
jedoch darauf hinweisen, daß die Herstellung der Auskleidung Von Rohren für Öfen
(Kupolöfen) eine große Menge an feuerfesten Werkstoffen verbraucht wird; außerdem
soll die Auskleidung von Zeit zu Zeit ausgebessert werden. Die Anordnung solcher
Winderhitzer im Ofenrohr fUhrt zu einer Vereng ung des freien Durchgangsquerschnittes
des Rohres für die Gasströmung,
wobei der Gasströmung ein erhöhter
Widerstand
und die Bildung von intensiven Wirbelzonen an den Wärmeaustauschflächen nicht gewährleistet
werden. Außerdem wird der Winderhitzer mit wärmeisolierenden Kupolofenstaub bedeckt,
der sich schwer entfernen läßt, wobei durch das Vorhandensein der Stahlrohre des
Wärmeaustauschers ein Zugang zu der Auskleidung des Ofenrohres bei dessen Ausbesserung
erschwert wird.
-
Es werden auch das Reinigen der Oberflächen des Winderhitzers, die
ttberwachung der Dichtigkeit und die Ausbesserung derselben erschwert.
-
Die Wärmeaufnahmefläche eines Röhrenwinderhitzers gewährleistet eine
Lufterwärmung nur auf 300 + 350°C, was nicht ausreichend ist, weil ein beachtenswerter
Effekt durch die Verwendung des Heißwindes, z.B. beim Kupolofenbetrieb hur be, Erwärmung
der Luft auf eine Temperatur von Uber 5000C erreicht wird. Deshalb verwendet man
neben einem Winderhitzer, der im Ofenrohr angeordnet ist, zusätzlich einen separat
stehenden Winderhitzer, wodurch der Aufban und die Bedienung der Wärmeaustauschaggregate
erschwert werden.
-
FUr den Ofenbetrieb ist zweckmäßiger die Verwendung von Strahlungsschlitzwärmeaustauschern
(Rekuperatoren), die eine zylindrische Form aufweisen und am Ofen anstelle eines
Rohres angeordnet werden. (S. Buch von Tebenkow B.P. "Rekuperatoren fUr Industrieöfen",
Verlag "Metallurgie", Moskau, herausgegeben im Jahre 1975, Seiten 127-136).
-
seg einer solchen konstruktiven AusfUhrung hat der Rekuperator eine
größere H8he. Außerdem ist in diesem Fall die
Wärmeübertragung von
den Heißgasen auf die zu erhitzende Luft unvollkommen. Das läßt sich wie folgt erklären.
-
Die Heißgase mit einer höheren Temperatur strömen im Zentralteil
des zylindrischen Rekuperators bei dessen vertikaler Anordnung, während an den Wänden
des Rekuperators die Gasströmung langsamer und die Temperatur der Gase bedeutend
niedriger wird. Ein gasdynamisches Vermischen der Heißgase über die Horisontalquerschnitte
ist nicht ausreichend für eine Intensivierung der Wärmeübertragung.
-
Man
auch darauf hinweisen, daß bei dem bekannten Rekuperator der Innenzylinder eine
nicht hinreichende Festigkeit aufweist, was zu einer Vergrößerung der Wandungsstärke
des Innenzylinders, und folglich zu einer Erhöhung der Masse des Rekuperators und
des Aufwandes an hochwertigem hit zebe ständigem Stahl führt.
-
Bei einem maximalen Luftdruck im Schlitz des Rekuperators von über
15-20 kN/m2 (1500-2000 mm Ws) findet ein Ausbauchen der Bleche in das Innere des
Rauchkanals hin statt. Deshalb wird es zur Erhöhung der thermischen Stabilität empfohlen,
Strahlungsschlitzrekuperatoren
einer hohen Temperatur zu verwenden, in denen der Luftdruck unter 5-8 kN/m2 (500-800
mm WS) liegt, was
nicht ausreichend ist, weil z.B.
-
der Druck der einem Kupolofen zuzuführenden Luft in meisten Fällen
1000 mm WS übersteigt.
-
Es ist auch ein Wärmeaustauscher bekannt, der hier als Prototyp gewählt
er enthält ein Wärmeaustauschelement mit <@> gewellten <einer> Innenwand
und Außenwand, die durch Kegelstümpfe gebildet sind, welche koaxial und
derart
ang/eo/rdnet sind, daß die Kegel durch die großen bzw. kleinen Grundflächen starr
miteinander verbunden sind. (S. FR- PS 1169790) Dieser Wärmeaustauscher hat einen
niedrigen thermischen Wirkungsgrad, der durch
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Innenrohr beim Temperaturabfall dieses Rohres
bedingt ist, da sich der Querschnitt der Rohrkegel über die Länge des Rohres nicht
ändert.
-
Der vorliegenden Brçindung
die Aufgabe zugrunde einen Wärmeaustauscher zu schaffen, in dem das Wärmeaustauschelement
derart ausgebildet ist, daß bei der Heißgasströmung eine Verwirbelung und ein Vermischen
der heißgase statt-
finden, wodurch der thermischen Wirkungsgrad erhöht und'Wärmeaustauschprozeß intensiviert
werden.
-
Diese Aufgabe wird <dadurch gelöst, daß> bei einem Wärmeaustauscher,
der ein Wärmeaustauschelement mit <> gewellten <einer> Innenwand und
Außenwand enthält, welche durch Kegelstümpfe gebildet sind, die koaxial und
derart angeordnet sind, daß die Kegel durch die großen bzw kleinen Grundflächen
starr miteinander verbunden sind, gemäß der vorliegenden Erfindung, <> die
Durchmesser der Kegel in der Richtung zum Austritt der Abgase hin verjüngt ausgeffihrt
sind.
-
Eine solche konstruktive Ausführung gestattet es, den Wärmeaustauschprozeß
zu intensivieren, weil dabei eine hohe Geschwindigkeit der Abgase über die gesamte
Höhe des Wärmeaus-
tauschers sogar bei einer bedeutenden Senkung von' Temperatur aufrechterhalten wird.
-
Wenn die Durchmesser der Grundflächen der Wärmeaustauschkegel derart
verjüngt ausgeführt werden, daß der Durchgangsquerschnitt des Wärmeaustauschelementes
die Form eines Kegelstumpfes hat,
ein solcher Wärmeaustauscheweckmäßig in Kupolöfen mit einem Schachtdurchmesser von
500 bis 1500 mm eingesetzt
Sind die Durchmesser der Grundflächen der Wärmeaustauscherkegel derart verjüngt
ausgeführt, daß der Durchgangsquerschnitt des Wärmeaustauschelementes die Form einer
Stufe aufweist
ein solcher Wärmeaustauscher zweckmäßig in Kupolöfen mit einem Schachtdurchmesser
von 1500 bis 2000 mm verwendet
Wenn die Durchmesser der Grundflächen der Wärmeaustauscherkegel derart verjüngt
ausgeführt sind, daß der Durchgangsquerschnitt eine krummlinige Form hat,
ein solcher Wärmeaustauscher zweckmäßig in Kupolöfen mit einem Schachtdurchmesser
von 2000 bis 3000 mm verwendet
sind im Wärmeaustauscher mit den als letzte in Richtung zum Austritt der Abgase
hin angeordneten KegelstUmpfen zusätzliche Kegelstümpfe durch ihre einen Grundflächen
starr verbunden,
anderen Grundflächen eine Hohlscheibe mit einem Achsialzerhacker, dessen Spitze
nach unten zugewandt ist, und mit Stutzen, die längs der Umfangslinie angeordnet
und an einen Spielraum zwischen den gewellten Wänden angeschlossen sind, vorgesehen
ist, wobei inneri,alb des Zerhacken ein Achsialstutzen angeordnet ist.
-
Durch eine solche konstruktive Ausführung wird eine intensive Bewegung
der Abgase an den Wänden des Wärmeaustauschers gewährleistet, was zu einer Erhöhung
des thermischen Wirkungsgrades beiträgt.
-
Im folgenden wird die Erfindung
AusfUhrungsbeispiels
Zeichnungen erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung die Gesamtansicht eines
erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers im Längsschnitt; Fig. 2 ein Wärmeaustauschelement
mit einem in Form eines Kegelstumpfes (C) ausgefUhrten Durchgangsquerschnitt (B),
im Längsschnitt; Fig. 3 ein Wärmeaustauschelement mit einem in Form einer Stufe
(E) ausgeführten DurchSsngsquerschnitt(D) im Längsschnitt; 8 Fig. 4 ein Wärmeaustauchelement
mit einem krummlinigen (Q) Durchgangsquerschnitt (F) im Längschnitt.
-
Der Wärmeaustauscher enthält ein Wärmeaustauschelement mit einer
gewellten Innenwand 4 und Außenwand 2, die jeweils durch Kegelstümpfe 3 - 12 und
Regelstümpfe 13 - 22 gebildet sind, welche koaxial und
derart angeordnet sind, daß die Kegel 3 - 12 und 13 - 22 durch die großen Grundflächen
23 - 27 bzw. kleinen Grundflächen 28 - 31 miteinander starr verbunden sind, wobei
die Durchmesser der genannten Grundflächen in Richtung zum Austritt der Abgase hin
verjüngt ausgeführt sind; in dem vorliegenden konkreten Fal sind die Durchmesser
der Grundflächen von oben nach unten in der Richtung verjüngt ausgeführt, die mit
Pfeil A angegeben ist
Für Kupolofen mit einem Schachtdurchmesser
von 500 bis 1500 mm wird zweckmäßig ein Wärmeaustauscher eingesetzt, bei dem die
Durchmesser der Grundflächen der Kegel 3 - 12 und 13 - 22 in der genannten Richtung
derart abnehmen, daß der Durchgangsquerschnitt (B) des Wärmeaustauschelementes die
Form eines Kegelstumpfes (C) hat, wie das in Fig. 2 wiedergegeben ist.
-
FUr Kupolöfen mit einem Schachtdurchmesser von 1500-2000 mm wird
zweckmäßig ein Wärmeaustauscher benutzt, bei dem die Durchmesser der Grundflächen
der Kegel 3 - 12 und 13 -- 22 in der genannten Richtung derart abnehmen, daß der
Durchr gangsquerschnitt (D) des Wärmeaustsuschelementes die Form einer Stufe (E)
hat, wie das in Fig. 3 wiedergegeben ist.
-
Für Kupolöfen mit einem Schachtdurchmesser von 2000-3000 mm wird
zweckmäßig ein Wärmeaustauscher benutzt, bei dem die Durchmesser der Grundflächen
der Kegel 3 - 12 und 13 - 22 in der genannten Richtung derart abnehmen, daß der
Durchgangsquerschnitt (F) des Wärmeaustauschelementes eine krummlinige Form (R)
hat, wie das in Fig. 4 wiedergegeben ist.
-
Der Wärmeaustauscher ist wetter mit zusätzlichen SegelstUmpfen 32,
33 (Fig. 1) versehen, welche durch ihre einen Grundflächen 34 mit den als letzte
in Richtung zum Austritt der Abgase hin angeordneten KegelstUmpfen 12, 22 starr
verbunden sind. An den anderen Grundflächen (35) der zusätzlichen Kegelstümpfe 32,
33 ist eine Hohlscheibe 36 mit einem Achsialzerhacker 37 angeordnet, der mit seiner
Spitze nach unten zubewandt ist. Die Hohlscheibe 36 ist mit Stutzen 38 ftlr die
Luftzuführung versehen, die längs der Umfangslinie angeordnet und
an
einen Spielraum zwischen den gewellten Wänden 1 und 2 angeschlossen sind.
-
Innerhalb des Achsialzerhackers 37 ist ein Achsialstutzen 39 angeordnet.
Im Wärmeaustauscher sind fenerRinge 40 zur Verwirbelung der zu erhitzenden Luft
vorgesehen, die an der Außenwand 2 des Wärmeaustauschers von deren Innenseite derart
starr befestigt sind, daß dabei Spielräume zwischen der Innenwand 1 des Wärmeaustauschers
und den Ringen 40 gebildet werden. Der Wärmeaustauscher ist mit seiner unteren Grundfläche
41 an einem Roh; 42 des Kupolofens (Ofens) angebracht. der eine feuerfeste Auskleidung
43. eine Beschickungs-
öffnung 44# Gasbrennerdüsen 45 hat.
-
Von der Außenseite besitzt der Wärmeaustsucher eine wärme isolierende
Schicht 46. Der Wärmeaustauscher ist
mit Rohrstutzen 47 zur Abführung der Heißluft versehen.
-
Der Wärmeaustauscher hat folgende Arbeitsweise.
-
Während des Betriebes des Ofens (des Kupolofens), der mit dem erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscher ausgerüstet ist, wird in den genannten Wärmeaustauscher durch den
Achsialstutzen 39 Kaltwind zugeführt, der zuerst in den Achsialzerhacker 37 der
Hohlscheibe 36, und dann durch die Stutzen 38 in den Spielraum zwischen den gewellten
Wänden 1 und 2 geleitet wird.
-
Der Heißwind wird durch Stutzen 47 abgeführt. Der Heißgasstrom wird
in das Rohr 42 des Ofens e;tEefUhrt mit Luft vermischt, die durch die Beschickungsoffnung
44 strömt, und nachgebrannt.
-
Zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Temperatur der Abgase dienen
Gasbrenner, welcher, das Gas-Itutt-Gemisch durch die Düsen 45 zugeführt wird.
-
Dann weiden die heißen Abgase aus dem @ohr 42 dem Wärmeaustauscher
zugeführt.
-
Da die Durchmesser der Kegelstümpfe 3 - 12 in der Ström@ ungsrichtung
der Abgase ahnehmen, vermindert sich die Geschwindigkeit des Abga@estromes sogar
bei einer Se@kung von @@@@ Temperatur durch die Wärmeübertragung @icht, Da die Wände
1, 2 des Wärmeaustauschers gewellt sind, finden eine intensive Verwirbelung und
ein @@@@@@@@@@ @@ Abgase bei deran St@ämung stat, @@@@ @@@@@ @@@ Wärmeübertragung
intensiviert wird.
-
Durch des Vorhandensein eines zusät@@@@@@@ @@@ der durch die Hohlscheibe
36 überdeckt ist, findet eine in-@@@siver@ Bewegung der Abgase an de@ W@@@@@ d@@
W@@ @@@ schers statt. was zu einer Erhöhung des therm@@@h@@ Wirk@@g@@ grades beiträgt,
Da die Wände 1 und 2 des Wärmeaustausche@@ gewellt aus-
gebildet und die Ringe 40 vorhanden sind, @@@det @@@@@ @@@@@ sive Varwirbelung der
zu erhit zendea Luf@ St@@t, wodurch der
Wärmeaustauschprozeß @intensiviert wird.
-
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher gestattet es, die Wärme der
Abgas@ vorteilhaft zu verwerten, und er ist für Gasbrenner besond rs geeignet, die
mit Heißwind betrieben werden, Bei der Erwärmung der Luft auf eine Temperatu@@@@
@@@°C wird zweckmäßigerweise Erdgas in einem G@@@@ @@@ einem Luftmang@@, d.h. bei
einem Koeffizienten des @@ftve@@@@@@ ches von 0,8-0,9 verbrannt. In diesem Fall
Werden Abbrand von Elemente@@@ dem geschmol @@@@ und zi @@@@ @@@ @@ vermindert,
e@ gering@@@ @@@h@@@@en@@@@@ g@@il@@@ @ie @e@@@
feste Auskleidung
weniger zerstört, die Temperatur des Metalls und die leistung des Kupolofens erhöht;
dabei erhöht sich jedoch der Gehalt der Abgase an Kohlenstoffoxyd, Wasserstoff und
rußartigem Kohlenstoff. Beim Nachbrennen der Abgase erhöht sich deren Temperatur
bis auf 900-11000C, was es gestattet, in dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher
die Luft auf 500-6000C zu erwärmen, ohne dabei einem zusätzlichen separat stehenden
und mit Gas beheizten Lufterhitzer zu verwenden.
-
Der Wärmeaustauscher weist Ausgleichseigenschaften auf; deshalb werden
bei der erwärmung und AbkUhlung keine Risse in den Wänden gebildet, und es findet
kein Ausbauchen der Metallwände statt.
-
Leerseite