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Verfahren zur Übertragung von Wärme aus hochgespannten Gasen, insbesondere
den Ausströmgasen von Verpuffungskammern, auf andere Stoffe Dem Hauptpatent liegt
die besondere Aufgabe zugrunde, gespannten Gasen, wie sie vornehmlich in Verpuffungskammern
erzeugt werden, die fühlbare Wärme weitgehendst zu entziehen und die gewonnene Wärme
dadurch wirtschaftlich auszunutzen, daß sie auf andere Stoffe, z. B. auf das Speisewasser
eines Erhitzers bzw. Dampferzeugers, durch die Heizfläche hindurch übertragen wird.
Maßgebend war dabei die auf Grund eingehender Wärme- und Strömungsforschungen gemachte
Feststellung, daß bei hohem Druckabfall besonders höhe Strömungsgeschwindigkeiten
der Gase entwickelt werden, die erfahrungsgemäß zu entsprechend sprunghaften Erhöhungen
der Wärmeübergangszahlen und damit der übergehenden Wärmemengen führen. In Auswertung
dieser Beobachtung ist gemäß dem Hauptpatent die neue Regel zustande gekommen, die
hochgespannten Gase auf ihrem Strömungsweg durch Einführen in einzelne hintereinanderliegende,
in sich durch Drosseldurchgänge verbundene Räume der Heizgasführung von ihrem ursprünglichen
Höchstdruck absatzweise bis auf den Gegendruck zu expandieren.
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Genauere Untersuchungen eines nach dieser technischen Regel arbeitenden
Verpuffungsdampferzeugers haben nun gezeigt, daß in dem von den hochgespannten Gasen
zuerst bestrichenen Teil des Dampferzeugers ein ungewöhnlich großer Wärmeübergang
stattfindet, welcher einen entsprechend hohen Temperaturabfall in der wärmeübertragenden
Wandung hervorruft und dadurch diese Wandung gefährdet. Mit anderen Worten ist die
Temperatürbeanspruchung der Heizfläche des Dampferzeugers an seinem Einströmende
um einen Betrag größer als am Ausströmende, der das Auftreten schädlicher Spannungen
im Baustoff des Gasführungsweges und der wärmeaustauschenden Flächen zur nachteiligen
Folge hat. Diese Tatsache kann dadurch erklärt werden, daß die Zustandsgrößen der
Heizgase in der ersten Expansionsstufe der Heizgasführung, also am Einströmende
des Dampferzeugers, sehr hoch sind, während diese den Wärmeübergang bestimmenden
Größen gegen das Ausströmende des Dampferzeugers abnehmen.
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Bei näherer Untersuchung der im Dampferzeuger auftretenden Verhältnisse
hat sich erneut die Erkenntnis bestätigt, daß bei Verwendung stark erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten
der Heizgase der Wärmeübergang sprunghaft ansteigt. Ausgehend von dieser überraschend
großen Abhängigkeit des Wärmeübergangs von der Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase
gelangt die vorliegende
Erfindung zu der weiteren Erkenntnis, daß
die Höhe der Strömungsgeschwindigkeit der Feuergase eine den Wärmeübergang beeinflussende
Größe von ähnlicher Bedeutung ist, wie die bekannten anderen Einflußgrößen (Druck,
Temperatur) des Wärmeübergangs.
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Das Verhalten der in Betracht kommenden Zustandsgrößen während des
Hindurchströmens der Heizgase durch den untersuchten Verpuffungsdampferzeuger -
bei mittleren Verhältnissen eines Arbeitsspiels der zur Erzeugung der Heizgase dienenden
Verpuffungskammer - ist aus der Zeichnung in Abb.i durch die vollausgezogenen Linienzüge
näher zu erkennen.
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Auf der Abszisse des Schaubildes der Abb. i bedeuten die Strecken
a, b, c drei gleich große Abschnitte der gasbestrichenen Heizfläche des aus
drei hintereinanderliegenden Rohrbündeln bestehenden, dem Versuch zugrunde gelegenen
Verpuffungsdampferzeugers. Der Abschnitt a ist dem Einströmende des Dampferzeugers
zugekehrt, so daß zuerst dieser Teil a, dann b und schließlich c vom Heizgasstrom
bestrichen werden. Auf der linken Ordinatenachse sind die Zahlen o bis 5o der Maßstab
für den Wärmedurchgang der Heizfläche in lccalim2/Arbeitsspiel der Verpuffungskammer.
Der neben der äußersten rechten Ordinatenachse angegebene Maßstab o bis i2oo gibt
die absolute Temperatur der Heizgase in Grad Celsius an, während sich der danebenstehende
Maßstab o bis 7 auf den Druck in Atmosphären abs. bezieht. Der äußerste rechts angegebene
Maßstab o bis Zoo gibt die Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase in m/Sek. an. Von
den vollausgezogenen Linienzügen d, e, f und i stellt d den
Druckverlauf der Heizgase dar, während e den Temperaturverlauf, f die Strömungsgeschwindigkeit
und schließlich der Linienzug i den Wärmedurchgang in den Abschnitten a, b, c des
Dampferzeugers wiedergeben. Mit Hilfe dieses Schaubildes und der zugehörigen Maßstäbe
kann der während eines Arbeitsspiels der Verpuffungskammer an den verschiedenen
Stellen des Dampferzeugers herrschende Zustand der genannten Einflußgrößen wertmäßig
festgestellt werden. Die Eigenart aller voll ausgezogenen Linienzüge zeigt deutlich,
daß sämtliche Einflußgrößen, wie Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und
ebenso der daraus sich ergebende Wärmedurchgang gegen das Ende des Dampferzeugers
abfallen. Daraus ist ersichtlich, daß der erste Dampferzeugerabschnitt eine ungewöhnlich
gesteigerte Temperaturbeanspruchung erfährt, welche in den nächsten Dampferzeugerabschnitten
gegen das Ende des Dampferzeugers zu sehr stark abnimmt. Angesichts dieser Verhältnisse
wird es verständlich, daß schädliche Spannungen im ersten Teil des Dampferzeugers
bzw. der Heizfläche des Wärmeaustauschers auftreten.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich nun, gestützt auf das Ergebnis
der praktischen Untersuchungen eines Verpuffungsdampferzeugers nach dem Hauptpatent,
zur Aufgabe, das Wärmeausnutzungsverfahren nach dem Hauptpatent in der Richtung
zu verbessern, daß schädliche Beanspruchungen im ersten Teil der Heizfläche eines
Verpuffungswärmeaustauschers weitgehendst vermieden werden, indem die Temperaturbeanspruchung
dieses ersten Teils der gasberührten Heizfläche herabgesetzt wird. Um den gesamten
Wärmeübergang trotzdem auf der gleichen Höhe zu halten, wird der geringere Wärmeübergang
gegen das Ende des Dampferzeugers zu mittels der im ersten Teil eingesparten Strömungsenergie
erhöht und so eine erwünschte Vergleichmäßigung der Temperaturbeanspruchung über
den ganzen Kessel erzielt. Bezogen auf das Schaubild der Abb. i soll durch die Erfindung
mithin engestrebt werden, die Werte des durch die voll ausgezogene Linie i wiedergegebenen
Wärmedurchgangs an allen gasberührten Stellen der Heizfläche zu vergleichmäßigen,
insbesondere einen schroffen Anstieg dieser Kurve an dem Dampferzeugereintritt zu
verhüten. Um dies zu erreichen, geht die Erfindung von der. an sich bekannten Lehre
aus, daß für die Wärmeübergangszahl folgende drei Einflußgrößen bestimmend sind,
nämlich: Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase. Da Druck und
Temperatur aber Größen sind, die nicht ohne weiteres beeinflußt werden können, wird
gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die vorzugsweise nach dem Verpuffungsverfahren
erzeugten hochgespannten Heizgase im ersten Teil des Strömungsweges durch den Wärmeaustauscher
zwecks Verminderung der Temperaturbeanspruchung der Heizfläche dieses Teils mit
verringerter Geschwindigkeit hindurchzuleiten, während ihre Geschwindigkeit im weiteren
Teil des Gasweges nach dem Austrittsende des Wärmeaustauschers zu erhöht wird. Diese
Geschwindigkeitsbemessung wird durch entsprechende Wahl und Gestaltung der Querschnitte
der Durchgänge zwischen den einzelnen, die absatzweise Expansion der Gase bewirkenden
Stufen der Heizgasführung herbeigeführt. Zweckmäßig werden diese Durchgangsquerschnitte,
wenn nötig, von Stufe zu Stufe, gegebenenfalls auch nur in den letzten Stufen der
Heizgasführung gegen das Ausströmende verkleinert; es kann aber die gewünschte Wirkung
schon eintreten, wenn die Durchgangsquerschnitte sich in anderem Sinne
ändern
bzw. annähernd gleich groß bemessen werden, etwa mit Rücksicht auf die Volumenänderung
der Gase.
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Im Zusammenhang mit vorstehenden Gedankengängen wird noch bemerkt,
daß bei Dampferzeugern oder Heizrohrüberhitzern, welche von Gasen mit der üblichen,
d. h. niedrigen Geschwindigkeit beheizt werden, an sich schon vorgeschlagen worden
ist, die Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase auf dem Wege durch den Dampferzeuger
zu beeinflussen. Den diesbezüglichen Vorschlägen wohnt aber im Gegensatz zur Erfindung
lediglich der Gedanke inne, einen Abfall der Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase
infolge ihrer Abkühlung entgegenzuwirken, um so den Wärmeübergang und das Mitreißen
von Flugasche usw. zu begünstigen. Diese bekannte Maßnahme hat aber nichts mit dem
Gedanken der Erfindung zu tun, eine Verringerung der höchsten Temperaturbeanspruchung
der Heizfläche des Wärmeaustauschers herbeizuführen.
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Die vorgeschlagenen Wärmeaustauscher unterscheiden sich weiter aber
allein schon dadurch grundsätzlich von der Erfindung, daß bei ihnen Gase von üblicher
niedriger Spannung zur Beheizung der wärmeaustauschenden Flächen verwendet werden.
Die Verwendung hochgespannter Heizgase mit sprunghaft gesteigerten Geschwindigkeiten,
auf die sich die Erfindung bezieht, bringt aber sprunghaft erhöhte Wärmeübergänge
und damit Gefährdungen der Heizflächen mit sich, die bei niedrig gespannten Gasen,
z. B. Rauchgasen, nicht auftreten. Deshalb liegt allen bekannten Vorschlägen der
Gedanke fern, die Temperaturbeanspruchung der wärmeaustauschenden Flächen im ersten
Teil des Heizgasweges durch entsprechende Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit
der Heizgase herabzudrücken und die hierdurch eintretende Verringerung des Wärmedurchganges
mittels Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Gase nach dem Ausströmende des
Wärmeaustauschers zu so zu vergrößern, daß an allen Stellen der Heizflächen eine
möglichst gleiche Temperaturbeanspruchung herrscht.
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Die Erfindung wird -nun an Hand - der Abb. i bis 6 näher erläutert,
und zwar am Beispiel eines Dampferzeugers, der vorzugsweise mit den in einer Verpuffungskammer
erzeugten Gasen beheizt wird. Es zeigt in der Zeichnung Abb. i ein Schaubild, in
welchem außer den schon weiter obenerwähnten, nach .dem Verfahren des Hauptpatents
sich ergebenden Zustandsverhältnissen der in Betracht kommenden Einflußgrößen auch
die Zustandsverhältnisse derselben Größen, wie sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gewonnen werden, veranschaulicht sind.
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Abb. 2 ist ein Längsmittelschnitt durch den Verpuffungsdampferzeüger
nach Linie II-II der Abb.3, die ihrerseits einen senkrechten Schnitt .nach Linie
III-III der Abb. 2 veranschaulicht.
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Abb. q. ist ein waagerechter Schnitt durch das Einströmende des Dampferzeugers
nach Linie IV-IV der Abb. 3.
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Abb. 5 zeigt - einen zweiten Querschnitt durch den Dampferzeuger nach
der Linie V-V der Abb. 2.
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Abb.6 ist schließlich ein dritter Schnitt nach Linie VI-VI, ebenfalls
aus Abb. 2.
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In den Abb. 2 bis 6 bedeutet i eine äußere Trommel, in die ein ebenfalls
trommelähnlicher Körper 2 mit radialem Spiel eingesetzt ist, so daß zwischen beiden
Körpern ein zur Achse gleichmittig liegender Ringraum 3 verbleibt, in den bei ¢
die Speisewasserzuleitung 5 mündet, während 6 eine Dampfabzugsleitung ist. Der eingesetzte
Körper 2 besteht aus mehreren, im vorliegenden Fall zwölf, hintereinanderliegenden,
beispielsweise linsenförmigen Hohlräumen 7, die abwechselnd durch mehrere, nahe
ihrem Umfang angeordnete Stutzen 8 und mittlere Durchgänge i i miteinander -verbunden
sind, so daß ein sehr gewundener Gasweg entsteht. Jeder Hohlraum 7 bildet eine Einzelstufe
der Heizgasführung, in der die gespannten Heizgase jeweils um einen gewissen Wert
im Druck gesenkt werden. Die Stutzen 8 besitzen je eine nach der Dampferzeugerachse
gerichtete Rippe 9, die jeweils zwei einander zugekehrte Querwände io, die
die Stutzen 8 tragen, miteinander verbindet. Die mittleren Durchgänge i i sind gebildet
durch eine tiefe Einschnürung 12 in der Außenwand .des Hohlkörpers 2. In jeder Einschnürung,
die über den ganzen Umfang des Hohlkörpers verläuft, sind mehrere radiale Rippen
13 vorgesehen, die jeweils die zwei Querwände 1q., welche in der Ebene der Mittendurchgänge
i i liegen, starr miteinander verbinden, wobei sektorähnliche Zwischenräume 2o entstehen.
In der waagerechten Ebene besitzt die äußere Trommel i _ auf ihrer Innenwand zwei
Längsstege 21 _(s. Abb. 3, 5 und 6), die sich gegen entsprechende Längsstege 15
auf der Außenwand des Hohlkörpers 2_ legen. Hierdurch zerfällt der Ringraum 3, wie
ersichtlich, in zwei Hälften.-.Auf diese Weise wird das von unten aufsteige nde-Speiselvasser
gezwungen, durch die sektorartigen Zwischenräume hindurch an den als Wärmeaustauschflächen
dienenden radialen Rippen 13 und 9 entlang in den oberen Teil des Ringraumes 3 zu
fließen. Der erste in Richtung des Gasstromes gesehene
Hohlraum
7 des Innenkessels*2 läuft in einen Einströmstutzen 15 für das Heizgas aus, während
sich an den letzten Hohlraum der Ausströmstutzen i6 anschließt. Sowohl Einström-
als auch Ausströmstutzen sind von einem besonderen Kühlraum 17, 18 umgeben,
die beide für sich mit einem Kühlmittel, z. B. Wasser, beschickt werden und im übrigen
gegen den wassergefüllten Ringraum 3 abgeschlossen sind.
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Die vom Gaserzeuger, zweckmäßig einer Verpuffungskammer (nicht dargestellt),
kommenden Heizgase treten bei 15 unter hohem Druck und großer Temperatur in den
Dampferzeuger ein und durchströmen alsdann nacheinander die hintereinandergeschalteten
Hohlräume 7 über die Stutzen 8 und mittleren Durchgänge i i. Der Druck der Gase
wird beim Durchströmen dieser Hohlräume 7 absatzweise um einen bestimmten Wert gesenkt,
bis die Gase im letzten Hohlraum einen bestimmten Gegendruck erreicht haben, mit
dem die Gase den Dampferzeuger * durch den Ausströmstutzen 16 verlassen, um mit
der ihnen noch innewohnenden Restenergie in bekannter Weise die Verbrennungsluft
zu verdichten. Infolge des hohen Druckunterschiedes, welcher jeweils beim Eintritt
der hochgespannten Heizgase in einen der besagten Hohlräume vor und in ihm besteht,
wird eine große Strömungsgeschwindigkeit erzeugt. Die Gase prallen beim Eintritt
in den ersten Hohlraum 7 auf die eine Querwand io auf und werden rechtwinklig nach
dem Umfang des Körpers 2 abgelenkt,. wo sie durch` die Stutzen 8 hindurch in den
nächstfolgenden Hohlraum 7 abgetrieben werden usw. Durch die den Heizgasen aufgezwungene
Ablenkung in jedem Hohlraum wird ihre durch den großen Druckunterschied erzeugte
Strömungsenergie in Wirbel umgesetzt, so daß eine völlig ungeordnete, unregelmäßige
Strömung entsteht. Diese Wirbelbildung wird nun noch wesentlich verstärkt durch
Einbau besonderer wirbelerzeugender Mittel, z. B. in Form von nockenartigen Vorsprüngen
i9, in der Heizgasführung. Dadurch, daß die Strömungsenergie in Wirbelgeschwindigkeit
umgesetzt wird, wird die bei geordneter Strömung sich bekanntermaßen bildende Grenzschicht
des Gasstromes zerstört und die Gasmasse in ihre Teile aufgelöst, die dann oft und
allseitig die wärmeaustauschenden Wandungen der Gasführung berühren, so daß ein
außerordentlich hoher Wärmeübergang entsteht. Dieser Vorgang wiederholt sich in
jedem einzelnen Raum 7, der entsprechend seinem Zweck am besten als Wirbelkammer
bezeichnet wird. Die erhitzten Wände der Heizgasführung geben, ihre Wärme weiter
an das Wasser, das nach Änderung seines Aggregatzustandes, z. B. in Form von Dampf,
durch Leitung 6 abgezogen wird.
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Damit nun der Wärmedurchgang und damit die Temperaturbeanspruchung
im ersten Teil des Heizgasweges im Verpuffungskessel keine schädlichen Werte annimmt,
was ohne Beeinflussung der für den Wärmeübergang maßgebenden Einflußgrößen gemäß
obiger Darlegungen der Fall sein würde, wird erfindungsgemäß die Heizgasgeschwindigkeit
so geregelt, daß eine Vergleichmäßigung in der Temperaturbeanspruchung der Gesamtheizfläche
des Dampferzeugers eintritt. Zu diesem Zweck wird die Heizgasgeschwindigkeit im
ersten Teil des Kessels auf einen entsprechend geringen Wert eingestellt, der bei
entsprechender Beeinflussung dieser Einflußgrößen gegen das Auslaßende hin erhöht
wird. Dies wird durch Wahl und Bemessung der Durchgangsquerschnitte des Heizgasweges
im Verpuffungskessel erreicht. Dementsprechend haben im gezeichneten Ausführungsbeispiel
der Abb.2 bis 6 die Mitteldurchgänge ii und die am Umfang angeordneten Übergänge
8 zwischen den einzelnen Wirbelräumen 7 auf dem der Gaseintrittsseite zugekehrten
Ende, wo namentlich die beiden Einflußgrößen Druck und Temperatur der Gase noch
einen hohen Wert besitzen, eine die Geschwindigkeit der Gase erniedrigende Größe
erhalten, die sich mit fortschreitender Verringerung von Druck und Temperatur gegen
das Austrittsende des Dampferzeugers hin entsprechend einer Gleichhaltung des Wärmedurchgangs
im Dampferzeuger verkleinert.
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Die Wirkungen der erfindungsgemäßen Maßnahme sind in Abb. i durch
die gestrichelten Linienzüge zum besseren Verständnis der Verhältnisse wiedergegeben.
Die Linie f' stellt die Geschwindigkeit der Gase dar. An dem Verlauf dieser Linie
erkennt man deutlich, daß die Gase im ersten Teil a des Verpuffungsdampferzeugers
mit wesentlich geringerer Geschwindigkeit strömen als im letzten Dampferzeugerabschnitt
c. Diese Eigenart der Geschwindigkeitlinie f, welche sich von der voll ausgezogenen
Linie f wesentlich unterscheidet, bringt es nun mit sich, daß der Wärmedurchgang
überall im Heizgasweg des Verpuffungsdampferzeugers wenigstens angenähert gleichmäßig
ausfällt, wie dies der ge-
strichelte, im wesentlichen waagerecht verlaufende
Linienzug i' zu erkennen gibt. Allerdings werden durch die erfindungsgemäß vorgenommenen
Änderungen auch die Druck-und Temperaturverhältnisse eine gewisse Änderung erfähren,
wie dies durch die Linie-izüge d' und e' zum Ausdruck gebracht ist.
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Es wird ausdrücklich betont, daß die Erfindung keineswegs auf den
lediglich als Beispiel
erläuterten Dampferzeuger beschränkt ist.
Vor allem gilt dies hinsichtlich der Gestaltung der einzelnen Stufen der Heizgasführung,
die nicht unbedingt als Wirbelkammern ausgebildet sein müssen. Allerdings haben
Versuche bestätigt, daß gerade durch Umsetzung der Strömungsenergie in Wirbelgeschwindigkeit
ein besonders guter Wärmeentzug aus den Heizgasen und damit ein sehr hoher Wärmeübergang
im Wärmeaustauscher stattfindet. Wesentlich ist für die Erfindung der Gedanke, die
Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase im Heizgasweg so zu regeln, daß der Wärmedurchgang
im ersten Teil d-,s Heizgasweges nicht zu stark anwächst und nach Möglichkeit an
allen Stellen des Heizgasweges im Wärmeaustauscher wenigstens angenähert gleich
groß ist, wodurch schädliche Spannungen im Baustoff vermied--n werden.