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Kühl kreis für flüssigkeitsgekühlte Winddüse
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Die Erfindung betrifft den Kühl kreis von flüssigkeitsgekühlten Winddüsen
insbesondere an koksgesteuerten Schachtöfen.
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Zu den Schachtöfen zählen z. B. Hochöfen und Kupolöfen und andere
koksgesteuerte Ufen zur Erschmelzung oder Reduzierung von Rohstoffen.
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Schachtöfen bestehen aus einem zumeist zylindrischen Ofenkörper. Im
Ofen durchlaufen die Einsatzmischungen eine Reduktionszone, Schmelzzone und Verbrennungs-
oder Windzone, bevor der Abstich erfolgt. Diese Zonen und auch der Ausstoß des Ofens
werden wesentlich durch die Windmenge (Gebläseluft) bestimmt. Der Wind wird durch
gleichmäßig am Ofenumfang verteilt angeordnete Winddüsen (Blasformen) in den Ofen
geblasen. Die Zuführung und Verteilung des Windes auf die Winddüsen erfolgt durch
einen den Ofen ringförmig umgebenden Windkasten. Aus Gründen der guten Luftverteilung
ist es wünschenswert, möglichst viele Düsen auf dem Ofenumfang anzuordnen.
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Zur Durchdringung des Ofenbesatzes ist es ferner von großem Vorteil,
wenn die Winddüsen in das Ofeninnere hineinragen. Die damit verbundene Wärmebelastung
bedingt eine Kühlung der Winddüsen. Die Kühlung erfolgt mit Wasser und stellt eine
nicht unbeträchtliche Verlustquelle für Wärme dar. Aus diesem Grunde wird in der
Praxis die Anzahl der Winddüsen begrenzt und ein möglichst wirtschaftliches Verhältnis
zwischen Windverteilung und Wärmeverlust angestrebt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeverluste zu verringern.
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Nach der Erfindung wird das dadurch erreicht, daß der Kühl kreis zugleich
als Heizkreis ausgebildet oder über einen Wärmetauscher mit einem Heizkreis gekoppelt
ist. Vorteilhafterweise kann die Abwärme der Winddüsen so für Heizzwecke verwendet
werden. Das verbessert den Energiehaushalt an Schachtöfen.
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Bei entsprechender Wasserführung in den Winddüsen entsteht ein Temperaturanstieg
im Kühimedium, der die anfallende Wärme teilweise nutzbar macht.
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Die für einen einwandfreien Wärmeübergang notwendige Wassergeschwindigkeit
und die abzuführende Wärmemenge bestimmen die Abmessungen der Kühlkanäle in den
Winddüsen.
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Ein für die erfindungsgemäße Wärmenutzung besonders vorteilhaftes
Kanalsystem sieht in Spiralen angeordnete Kanäle zur Wasserführung vor. Die Wasserzufuhr
geschieht über Kanäle, die am Außenmantel der Düse angeordnet sind, und die Wasserabfuhr
über Kanäle, die am Innenmantel angeordnet sind.
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Die Umlenkung des Kühlwassers geschieht im Düsenkopf ohne abrupte
Richtungsänderung.
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Mit Hilfe einer Schweißkonstruktion und unter Verwendung dünnwandiger
Teile, die präzise gefertigt werden können, lassen sich die Kanäle auf jede gewünschte
Kühlwassertemperatur abstimmen.
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Im einzelnen sind Innen- und Außenmantel entweder unmittelbar oder
mittelbar über ein Kopfstück miteinander verschweißt. Bei unmittelbarer Verschweißung
liegt die Schweißnaht zwischen Innen- und Außenmantel im Bereich des Düsenkopfes.
Bei mittelbarer Verschweißung ist zwischen Innen- und Außenmantel ein Zwischenstück
angeordnet, das zugleich den Düsenkopf bildet.
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Jede Ausführungsform ist entweder zwischen Innen-, Außen- und Zwischenmantel
mit Drähten als seitliche Begrenzung der Kanäle versehen oder ist der Zwischenmantel
als Drehteil gefertigt und sind die Kanäle in das Drehteil eingearbeitet, oder Innen-
und Außenmantel sind als Drehteile gefertigt, wobei die Ausnehmungen für die Kanäle
in Innen- und Außenmantel eingearbeitet worden sind.
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Drähte als seitliche Begrenzung der Kanäle sind von besonderem Vorteil.
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Sie lassen sich mit geringem Aufwand in jede gewünschte Spiralform
bringen und zwischen Innen- und Außenmantel auf einem bzw. in einem glatten, vorzugsweise
gezogenen Zwischenmantel der Winddüse montieren. Die Drähte und der dadurch mögliche
glatte Zwischenmantel weisen sehr viel geringere Abmessungen auf als das gegossene
Zwischenstück der bekannten Winddüse.
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Das ergibt bei gleichen äußeren Abmessungen der Winddüse größere Kanalquerschnitte
im Innern. Bei Beibehaltung gleicher Kanal querschnitte kann auch das zur Verringerung
der äußeren Abmessungen genutzt werden. Besonders günstige Verhältnisse stellen
sich mit Verwendung von Drähten runden oder dreieckförmigen Querschnittes ein. Bei
dreieckförmigem Querschnitt weisen die spitzen Querschnittsenden jeweils zum Außenmantel
bzw. Innenmantel.
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Für die verschiedenen, in der Praxis vorkommenden Winddüsen sind bestimmte
Abmessungen vorgesehen. Im einzelnen ist bei einem Winddüseninnendurchmesser von
a) 80 bis 120 mm die Differenz zum Außendurchmesser kleiner 60 mm b) 120 bis 180
mm die Differenz zum Außendurchmesser kleiner 70 mm c) 180 bis 250 mm die Differenz
zum Außendurchmesser kleiner 80 mm d) größer 250 mm die Differenz zum Außendurchmesser
kleiner 90 mm Die angegebenen Durchmesser beziehen sich auf zylindrische Winddüsenformen.
Bei konischen Winddüsenformen entspricht das dem mittleren Durchmesser des in den
Ofen ragenden Winddüseninnenmantels bzw. Winddüsenaußenmantel. In jedem Fall bewirkt
die Einhaltung der erfindungsgemäßen Abmessungen eine beträchtliche Verringerung
der Wärmeverluste.
Vorzugsweise wird die Wassermenge mit der oben
beschriebenen Winddüse so gesteuert, daß der Temperaturanstieg nicht geringer als
20 "C ist.
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Die Winddüse mit engen, spiralförmig angeordneten Kanälen kann auch
im Zusammenhang mit einem geschlossenen Wasserkreislauf und einem konvektiven Wärmetauscher
so gestaltet werden, daß Temperaturen des Kühlmediums von z. B. 80 - 120 "C gefahren
werden, so daß direkt der Vorlauf von Zentralheizungen über einen Wärmetauscher
Wasser zu Wasser bedient werden kann. Es ist daher auch vorgesehen, den Wasserkreislauf
mit erhöhtem Druck zu betreiben oder anstelle von Wasser andere Kühlmedien mit Verdampfungstemperaturen
über 100 "C einzusetzen, während bei den wassergekühlten Winddüsen der bisher üblichen
Bauart so große Wassermengen eingesetzt werden, daß nur sehr geringe Temperaturanstiege
im Kühlmedium erreicht werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Gesamtansicht einer vorteilhaften Winddüse;
Fig. 2 eine Einzelheit der Winddüse nach Fig. 1; Fig. 3 einen Ausschnitt einer weiteren
vorteilhaften Winddüse; Fig. 4-6 in schematischer Gegenüberstellung verschiedene
Winddüsen; Fig. 7 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Kühl kreis
für die Winddüsen nach Fig. 1-6.
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Die Winddüse nach Fig. 1 ist in der äußeren Konfiguration der bekannten,
in das Ofeninnere eines Schachtofens hineinragenden Winddüse ähnlich.
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Die Wasserzufuhr erfolgt über einen aus Stahl hergestellten hohlen
flanschähnlicten Körper 1, der in zwei Sektionen 2 und 3 geteilt ist.
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Die Berührungsfläche beider Sektionen 2 und 3 ist mit 4 bezeichnet.
Dort sind die Sektionen 2 und 3 aneinander befestigt. Die untere Sektion 3 hat Anschluß
an das im Inneren der Winddüse liegende, spiralförmig angeordnete Kanalsystem für
die Wasserkühlung. Die Wasserabfuhr der Sektion 3 erfolgt durch einen Anschlußstutzen
5. Der Stutzen 5 liegt in der Ansicht nach Fig. 1 hinter dem Körper 1 und verläuft
parallel zur Berührungsfläche 4.
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Die Sektion 2 dient der Wasserzuführung in das am Außenmantel liegende
Kanalsystem. Die Ausströmöffnung ist mit 7 bezeichnet und erstreckt sich im Bogen
an der Sektion 2. Das Wasser tritt durch einen Stutzen 6 in die Sektion 2 ein.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Sektionen 2 und 3 miteinander verschweißt.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, den flanschartig ausgebildeten
Körper zwischen zwei untereinander verspannten Flanschen zu verklemmen und über
weiche Dichtungen winddicht abzuschließen. Wasserzufuhr und Düsenwechsel sind durch
diese Bauform erleichtert. Es tritt auch eine Kühlung des Düsenanschlusses durch
den wasserdurchströmten Flansch ein.
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Die Düse selbst besteht aus einem aus Kupfer hergestellten Außenmantel
8 und einem aus Kupfer hergestellten Innenmantel 9. In dem zylindrischen Hohlraum
zwischen Innenmantel 9 und Außenmantel 8 ist ein glatter Zwischenmantel 10 aus nichtrostendem
Stahl angeordnet. Die Mäntel 8, 9 und 10 sind in der Windduse verschweißt. Zwischen
dem Außenmantel 8 und dem Zwischenmantel 10 einerseits und zwischen dem Zwischenmantel
10 und dem Innenmantel 9 andererseits liegen spiralförmig verlaufende Kanäle, deren
seitliche Begrenzung durch spiralförmig gewickelte Drähte 11 und 12 gebildet wird.
Der Draht 11 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt, hat runden Querschnitt und befindet
sich zwischen dem Außenmantel 8 und dem Zwischenmantel 10. Der Draht 12 ist zwischen
Zwischenmantel 10 und Innenmantel 9 angeordnet und hat gleichen Querschnitt und
etwa gleiche Steigung hinsichtlich der Spiralform.
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Nach Fig. 1 sind der Außenmantel 8 und der Innenmantel 9 an dem Düsenkopf
verschweißt. Dazu besitzen der Außenmantel an dem zu verschweißenden Ende eine Einwärtswölbung
13 und der Innenmantel 9 am korrespondierenden Ende eine Verdickung 14. Das hat
sowohl schweißtechnische als auch verfahrenstechnische Vorteile, die insbesondere
in der oben erläuterten Verbesserung der Wasserführung im Düsenkopf liegen.
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Nach Fig. 3 erfolgt die Wasserumlenkung in einem weiteren Ausführungsbeispiel
mit Innenmantel 15 und Außenmantel 16 durch ein Kopfteil 17, das als Drehteil ausgebildet
ist und das im Bereich geringerer Wärmebelastung an den Außenmantel 16 und den Innenmantel
15 angeschweißt wird.
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Oberdies unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 durch
eine geringere Neigung der dort mit 18 und 19 bezeichneten Drahtspiralen.
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Die Steigung der Drahtspiralen liegt zwischen 10 und 30". Die Drahtdicke
beträgt im Ausführungsbeispiel 6 mm und liegt vorzugsweise zwischen 4 und 8 mm.
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Der Innendurchmesser des Innenmantels 15 beträgt 130 mm. Die Differenz
zum Durchmesser des Außenmantels ist kleiner als 70 mm. Bei einem Wasserdurchsatz
von 5 - 7 m3/h (in den Ausführungsbeispielen 6 m3/h) und einer Wassergeschwindigkeit
bis zu 5,5 m/s (in den Ausführungsbeispielen 4,3 m/s) sind die Parameter für die
konstruktive Gestaltung der Winddüse festgelegt.
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Fig. 4 zeigt einen Querschnittsteil der Winddüse nach Fig. 3 in Gegenüberstellung
mit entsprechenden Querschnittsteilen weiterer in Fig. 5 und 6 dargestellter Winddüsen.
Im Unterschied zu der Winddüse nach Fig. 3 und 4 besitzt die Winddüse nach Fig.
5 anstelle des Zwischenmantels und der Drahtspiralen 18 und 19 einen Zwischenmantel
25. Der Zwischenmantel 25 ist als Drehteil gefertigt. An der Innenseite und an der
Außenseite des Drehteils 25 verlaufen Stege 26 und 27. Zwischen den Stegen 26 und
27 entstehen an der Innen- und Außenseite des Zwischenmantels 25 spiralförmig verlaufende
Nuten, die mit dem Außenmantel 16 bzw. Innenmantel 15 ein querschnittgleiches Kanalsystem
wie bei den Winddüsen nach Fig. 3 bilden.
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Nach Fig. 4 besitzen die Stege rechteckförmigen Querschnitt. Vorteilhaft
ist eine besonders schmale Ausbildung der Stege bzw. ein dreieckförmiger Querschnitt
der Stege mit zu dem Innenmantel 15 bzw. zu dem Außenmantel 16 weisenden Spitzen.
Das stellt eine möglichst gleichmäßige Kühlung von Innen- und Außenmantel sicher.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird gezogenes Rohrmaterial
für Innen- und Außenmantel verwendet.
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Im Unterschied dazu ist nach Fig. 6 der Zwischenmantel 28 aus gezogenem
Material gefertigt bzw. nach Ablängen im wesentlichen unverändert in der Winddüse
montiert worden, während Innen- und Außenmantel 31 und 32 als Drehteile gefertigt
sind und sich anstelle der Stege 26 und 27 gleiche Stege 29 und 30 an Innen- und
Außenmantel 31 und 32 befinden.
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Die Winddüsen nach Fig. 1 bis 6 sind in den Ausführungsbeispielen
jeweils mit einem Kühl kreislauf 35 versehen, in dem Temperaturen über 50 "C bestehen
und die Rückkühlung über einen Wärmetauscher bzw. Konvektionskühler erfolgt. Allgemein
gilt dabei, daß in einem Temperaturbereich unter 100 °C der Druck maximal 4 bar
beträgt. Bei Temperaturen von 100 "C und mehr beträgt der Druck maximal 10 bar.
Der Kühl kreislauf ist geschlossen und wird mit aufbereitetem (entkalktem) Wasser
betrieben. Die Umlaufwassermenge beträgt 40 m3/h.
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Die über den Konvektionskühler 37 dem Kühl kreislauf 35 entzogene
Wärme wird vorzugsweise für die Heizung der zum Schachtofen gehörenden Werkshallen
oder umgebender anderer Hallen verwendet. Im Ausführungsbeispiel wird der Kühl kreislauf
35 mit 4 bar und 110 "C Ausgangstemperatur an der mit 38 bezeichneten Winddüse betrieben.
Ober den Wärmetauscher 36 wird dem Kühl kreislauf 35 für beliebige andere Zwecke
Wärme entzogen. Der zugehörige Heizkreis ist mit 39 bezeichnet. Das Wasser des Heizkreises
39 erfährt im Ausführungsbeispiel im Wärmetauscher eine Erwärmung von 60 auf 80
"C. Dabei ist die Wasserumlaufmenge wie im Kühl kreis 35 40 m3/h.
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Der Konvektionskühler 37 ist im Belüftungskanal der Gießereihalle
angeordnet. Aus der Gießereihalle wird im Ausführungsbeispiel mit 3000 m2 Hallenfläche
100 000 m3/h staubtragende Luft abgesaugt. Im gleichen Umfang muß Frischluft zugeführt
werden. Die Frischluft wird im Winter durch den Konvektionskühler 37 mit einer Heizleistung
von 1 bis 2 Gcal/h ausreichend erwärmt. Die verbleibende noch abzuführende Wärme
nimmt entweder der Heizkreis 39 auf oder wird insbesondere mit Hilfe des zum Konvektionskühler
gehörenden Gebläses entsorgt. Das geschieht dadurch, daß die erwärmte Frischluft
ganz oder teilweise hinter dem Konvektionskühler ins Freie abgeleitet wird. Im Sommer
wird die notwendige Frischluft im Bypass an dem Konvektionskühler vorbei in die
Gie-Bereihalle geleitet. Zu diesem Zweck ist der Konvektionskühler 37 mit einem
Gehäuse umgeben, das seitlich wieder ins Freie führende Kanäle 41 aufweist. Alle
Gehäuseausgänge sind mit Regel klappen versehen. Der Bypass ist mit 40 bezeichnet.
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