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Verfahren und Vorrichtung zum regenerativen Wärmeaustausch, insbesondere
zur Winderhitzung für den Hochofenbetrieb Die Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum regenerativen Wärmeaustausch, insbesondere zur Winderhitzung
für den Hochofenbetrieb, unter Verwendung loser feuerfester Füllkörper, durch den
die Heizgase hindurchströmen.
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Als Winderhitzer werden heute vorwiegend sog. Cowper-Apparate verwendet,
die aus einem etwa 25 bis 30 m hohen, mit feuerfesten Steinen ausgekleideten
Turm mit Ventilen und Schiebern bestehen, in die zwecks Aufheizung eine Zeitlang
Heizgase und Verbrennungsluft :strömen, wobei die Verbrennungsgase durch das Essenventil
entweichen können. Ist der Winderhitzer heiß geworden, so werden die Ventile für
das Heizgas und die Verbrennungsluft geschlossen und die Ventile oder Schieber für
Kaltwind und Heißwind geöffnet. Der Weg des Windes ist dabei dem der Feuergase entgegengesetzt.
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Der Hauptnachteil .dieser Art von Winderhitzern liegt nun in der Größe
der Abmessungen. Das Steinfachwerk oder Gitterwerk im Innern des Turms besteht zumeist
aus verhältnismäßig dicken Schamottesteinen mit einer Wandstärke von 4o bis 5o mm.
Schamotte als schlechter Wärmeleiter bringt aber in der genannten Steindicke als
notwendiges Übel ein beträchtliches Temperaturgefälle zwischen Steinfläche und Steinmitte
mit sich, wodurch die wirtschaftlich höchste Windtemperatur etwa Zoo bis 6oo° C
unterhalb der Heizgastemp,eratur bleibt. Der Wärmeaustausch ist also bei Verwendung
von wärmeaustauschenden Steinen, die als Steinfachwerk zusammengesetzt .sind, mit
einem beträchtlichen Temperaturabfall verknüpft.
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Abgesehen von den erwähnten Nachteilen haben derartige Winderhitzer
nur .einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 6o bis 8o%; die wirtschaftliche Höchsttemperatur
beträgt etwa 900° C.
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Weiter ist bei Winderhitzern die Verwendung von in seinen luftdicht
verschlossenen Raum eingefüllten losen und feuerbeständigen Füllkörpern vorgeschlagen
worden, *um dadurch die Verbrennungswärme des Heizmittels zu binden. Auch bei diesen
Vorrichtungen handelt es sich um große Schachtöfen, bei denen die Schichthöhe etwa
doppelt so groß ist als der Durchmesser des Winderhitaers: Als Wärmeaustauscher
werden dabei etwa ioo bis i 2o mm große und schwere Eisenkugeln verwendet, die von
der unteren kegelförmigen Rostwand des Schachtofens getragen werden müssen. Diese
Winderhitzer werden von unten geheizt, so daß also die . Gase zuerst gegen die mit
schmalen Gasdurchtrittsschlitzen
versehene kegelförmige Rostwand
prallen. Bei den hohen, in heutigen modernen Winderhitzern herrschenden Heizgastemperaturen
von etwa i4oo° C wäre .eitie# derartige Ausführung auch bei besten teeh.-nischen
Baustoffen, unmöglich, ganz arge<' sehen davon, daß der Wärmeübergang vöiy den
heißen Gasen. auf die großen und schweren Füllkörper völlig ungenügend ist.
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Durch die Erfindung werden nun alle diese Nachteile beseitigt. Es
wird die neue Lehre gegeben, die Heizgase durch eine dünne flächenartig ,ausgebreitete
Schicht aus -kleinkörnigen Füllkörpern hindurchzuleiten, nach deren Aufheizrung
das zu erhitzende Gas oder meistens Luft, wie üblich, in -umgekehrter Richtung zu
dem Heizgas durch die Körnerschicht hindurchgeleitet wird.
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Bei Anwendung eines derartigen Verfahrens werden gegenüber den bisherigen
und bekannten Vorrichtungen wesentliche Vorteile herbeigeführt. Diese Vorteile liegen
vor allem in der Schnelligkeit und Vollkommenheit der Wärmeübertragung von den.
Heizgasen auf die Körnerschicht, weil durch Anwendung einer aus kleinen Körnern
bestehenden Schicht der Heizgasstrom wie der zu erhitzende Luftstrom in kleine Teilströme
zerlegt wird, die ihren Wärmeinhalt schnell an die große Oberfläche des fein verteilten
körnigen Wärmeaustauschers .abgeben können. Daraus folgt eine ganz erhebliche Verminderung
der Größe und des Gewichts des Austauschers selbst, denn wenn beispielsweise, wie
es die Erfindung vorschreibt, kleine Körner von etwa 6 mm Durchmesser verwendet
werden, dann hat jedes Korn ein etwa 8ooomal kleineres Gewicht -als die bisher u.
a. verwendeten großen. eisernen Kugeln. Ebenso wird auch die Größe des regenerativen
Wärnieaustauschers selbst gegenüber den bekannten Vorrichtungen beispielsweise 5o-
bis 6omal kleiner. Auch die Heizfläche wird bei kleinkörnigen Füllkörpern je m3
Füllkörper etwa, zornal größer als bei den bekannten Winderhitzern.
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Außerdem kommt noch als wesentlicher Vorteil hinzu die Möglichkeit
der Verwendung von hochprozentigem, ,aber sprödem Magnesit in kleinkörnigem oder
sehr dünnwandigem Zustande bei Wärmeaustauschern, in denen die' üblichen Magnesitziegel
zerspringen -würden. Derartiges hochfeuerfestes Gitterwerk gestattet eine Erhöhung
der Windtemperatur über die gebräuchlichen Temperaturen, wodurch wieder erhebliche
Ersparnisse imKoksverbra.uch und Metallausbringen, beispielsweise bei der Herstellung
von Ferromangan und Ferrosilicitun, im Hochofen ermöglicht werden. Ferner ist eine
kurze Umschaltzeit von beispielsiveise i.o Minuten wirtschaftlich erst durch Anwendung
der Erfindung möglich, also durch kleinkörnige Füllkörper oder dünnwandige Gitter
oder Steine, da in dicke Füllkörper .oder Steine die Wärme wähnend einer kurzen
Umschaltzeit nicht genügend tief :6#idringen kann.
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';e ":'-Mit der Erfindung wird also eine größte Leistung mit kleinstem
Aufwande herbeigeführt, und zwar in. .erster Linie durch Anwendung einer Körnerschicht
anstatt einem Gitterwerk aus Ziegelsteinen, oder mit anderen Worten., durch die
feine Unterteilung des Wärmeaustauschers durch kleinkörniges Gut möglichst unter
i S mm Durchmesser.
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Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens besteht aus einer gasdurchlässigen,
mit den Füllkörpern bedeckten Unterlage sowie den entsprechenden Rohranschlüssen
für die Zu- und Ableitung der Gase. Wie oben bereits erörtert, können statt der
kleinkörnigen Füllkörper auch dünne Wände oder Gitter mit engen öffnungen oder Kanälen
Anwendung finden. Wesentlich ist auch in diesem Falle, daß eine größte Wirkung mit
kleinstem Aufwande durch die feine Unterteilung des Wärmeaustauschers herbeigeführt
wird, was durch Anwendung kleinkörniger feuerfester Füllkörper bis herauf zu 18
mm Durchmesser erreicht werden kann oder aber auch durch Wände und. Gitter mit kleinen
und engen Üffnungen rund Kanälen unterhalb 18 min Wandstärke .oder Kanalweite. Nur
hier sind die Temperaturunterschiede sehr gering, und vor allem liegen die Materialspannungen
infolge des Temperaturwechsels innerhalb der Elastizitätsgrenze des Baustoffes.
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An Hand durchgeführter Versuche wurde eine bis fünfzigfach vermehrte
Wärmeleistung des Gitters einwandfrei festgestellt. Es könnten bei diesen Versuchen
auch Temperaturen von, iioo bis i4oo°C erreicht werden, bei gleichzeitig ausgezeichnetem
Wirkungsgrad von über gooilo auf grüße Winderhitzer umgerechnet.
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Die Vorrichtung zum Steuern der Gase gemäß der Erfindung besteht aus
zwei übereinanderliegenden -und mit den entsprechenden Rohranschlüssen versehenen
unbewPglicheii Vierwegköpfen, zwischen denen der eigentliche Steuerzylinder angeordnet
ist. Die beiden unbeweglichen Vierw egköpfe sind im Innern mit vier Kammern ausgerüstet,
-während die dazwischenliegende Steuereinrichtung zur Steuerung der Gase mit je
zwei Kammern für jeden Vierwegkopf versehen ist. Diese eigentliche Steuereinrichtung
ist zwischen den beiden Vierwegköpfen drehbar gelagert, so daß man durch eine einfache
Drehung, beispielsweise um 9o°, die Umstellung des Wärmeaustauschers auf Gas oder
auf Wind schnell und in einfachster Weise bewirken kann.
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Zwecks gleichmäßiger Verteilung des Gasstromes
können
in der Schicht aus feuerfestem Gut auch Höhlkörper angeordnet werden, die innerhalb
der Schicht durch Hilfsroste, Stützen oder .auch durch senkrecht stehende Platten
gebildet werden. Als Werkstoff für die Gutschicht können kleinköimige Füllkörper
beispielsweise aus Magnesit, Magnetit oder Chromit verwendet werden. Ebenso ist
auch die Bildung der Körner aus kleinem Steinschlag möglich.
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Die beiliegende Zeichnung veranschaulicht eine beispielsweise Ausführungsform
zur Ausübung des Verfahrens.
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Abb. i zeigt in schematischer Darstellung die beiden Wärmeaustauscher
mit dazwischen angeordneter Steuervorrichtung.
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Abb.2 zeigt den drehbaren Steuerzylinder, Abb. 3einen der beiden unbeweglichen
Vierwegköpfe, die unten und oben an dem Steuerzylinder dicht anschließen.
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Abb. q. ist eine Ausführungsart des Wärineaustauschers für größere
Leistung.
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Abb. 5 stellt eine Wärmeaustauschwand mit eingeschlossenen freien
Luftschichten zum Ausgleich des Gasstromes dar.
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Der Wärm:eaustauscher i nach Abb. i besteht aus einer porösen, beispielsweise
0,4 m dicken Gutschicht aus vorzugsweise nichtmetallischem, feuerfestem Stoff, wie
Magnetit, Magncsit, Chromit. Die Gutschicht wird beispielsweise durch einen Rost
2 getragen. Der gesamte Wärmeaustauscher ist in einen zylin: drischen Behälter 3
eingeschlossen. Gewöhnlich arbeiten zwei derartige Wärmeaustauscher zusammen, und
zwar in der Weise, daß der eine ,geheizt und der andere entheizt wird. An den Wärmeaustauscher
(Abt. i) sind Rohrleitungen, .l Lund 5 angeschlossen, die den kalten bzw. den heißen
Austauscher mit der Steuervorrichtung verbinden. Diese Steuervorrichtung besteht
aus dem Steuerzylinder nach Abb. 2, an dem von unten der Vierwegkopf (Abb.3) dicht
.anschließt, während von oben ,ein der Vorrichtung nach Abb. 3 spiegelbildlich gleicher
Vierwegkopf anliegt. Diese Vierwegköpfe nach Abb.3 sind unbeweglich, an den. gegenseitig
zugekehrten Flächen offen und werden durch den dazwischen angeordneten Steuerzylinder
nach Abb. y gasdicht abgeschlossen. In Abb. i sind die Vierwegköpfe nicht eingezeichnet,
sondern nur die entsprechenden Gaswege angedeutet, um eine klarere übersicht zu
gewinnen. Die entsprechenden. Gaswege sind in Abb. 3 durch Numinern angegeben. Der
Steuerzylinder (Abt. 2) besteht aus :einem oberen und einem unteren zylindrischen
Kübel, deren Böden durch den axialen Steg 15 verbunden sind. Die beiden Kübel des
Steuerzylinders werden. durch je eine Querwand 16 in zwei Abteilungen unterteilt.
je nach Stellung und Drehung dieses Steuerzylinders werden die iri die Vierwegköpfe
einströmenden Gase gesteuert.
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Abb. q. zeigt eine veränderte Ausführungsform eines Wüiderhitzer s,
bei welchem die Wärmeaustauschwand in einem zylindrischen Hohlkörper ,angeordnet
ist. Die senkrechte poröse Wärmeausta#uschwand i wird gehalten von innen durch die
durchlochte, feuerfeste Wand I I und von außen beispielsweise durch ein durchlochtes
Blech 2, welches den. Rost 2 der Vorrichtung nach Abb. i ersetzt. Das Ganze befindet
sich iii einem zylindrischen Behälter 12. Die Gase strömen in der Richtung der gezeichneten
Pfeile. Zum Nachfüllen bzw. Herausnehmen des wärmeaustauschenden Schüttgutes dienen
Verschlüsse i und 1q.. Bezeichnend für diese Form des Winderhitzers ist die günstige
Tatsache, daß bei seinem Betriebe der innere Zylinder i i immer auf hoher Temperatur
bleibt, während das äußere Blech 12 nur leicht warm ist. Dadurch braucht das Gehäuse
12 keine wärmeisolierende Ausmauerung, was eine bedeutende Ersparnis im Vergleich
mit den jetzigen Winderhitzern bedeutet, denen Außenwände bis 2000 t wiegen. Außerdem
werden. die Wärmeverluste durch die Außenwände bei dieser Anordnung praktisch gänzlich
vermieden.
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Die poröse Wand zum Wärmeaustausch kann, außer den schon beschriebenen
zwei Ausführungsformen noch eine sehr mannigfaltige Gestalt annehmen. Sie kann beispielsweise
auch aus einer Reihe nebeneinander oder übereinander angeordneter Wände bestehen.
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Abb. 5 zeigt die poröse Schicht i, die zur gleichmäßigen Verteilung
des Gasstromes mit freien flachen. Räumen 17 versehen ist. Die poröse Schicht oberhalb
des Raumes 17 wird durch einen Hilfsrost 18 und Stützen i9 getragen. Statt die Hohlräume
innerhalb der Gutschicht senkrecht zur Strömungsrichtung der Gase anzuordnen, können
auch Richtungsplatten 20 verwendet werden, die parallel zur Gasrichtung angeordnet
sind.
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Weil der neue Winderhitzer und sein Gasinhalt klein ist, werden auch
die Gas- und Wärmeverluste beim Umschalten klein. Darum kann die Umschaltzeit verhältnismäßig
kurz, beispielsweise nur 5 Minuten, dauern gegenüber der jetzigen mit 9o Minuten.
Die Schnelligkeit und Wirksamkeit des Wärmeaustausches in einer porösen Wand, zusammen
mit kurzen Umschaltzeiten, gestatten das Volumen der Wärmeaustauschwand, verglichen
mit Volumen des Gitterwerkes der jetzigen Winderhitzer, beispielsweise bis 5omal
zu verkleinern, was mit einer erheblichen Verminderung der Baukosten verbunden ist.
Weil die Wärmeverluste durch die Wände sehr gering sind oder, wie bei der Vorrichtung
nach
Abb.4, praktisch ausbleiben und weil die Abgasverluste (ebenfalls
sehr gering sind, ist der Wirkungsgrad des neuen Winderhitzers gewöhnlich etwa 9o%.
Die kurze Umschaltzeit macht .es erwünscht, die Umschaltung und die dazugehörigen
Geräte möglichst einfach zu gestalten.
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Das beschriebene Verfahren bzw. die erläuterte Vorrichtung hierzu
ist nicht allein für die Windvorwärmung beim Hochofen begrenzt, sondern kann auch
in beliebiger Weise als Wärmeaustauscher für Gase tul.d ebenso auch für Flüssigkeiten
Verwendung finden.
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Auch bei Verwendung von Flüssigkeiten würden die gleichen Vorteile
wie bei Verwendung von Gasen erreicht werden können. Es wäre ohne weiteres möglich,
Flüssigkeiten durch Hindurchleiten durch eine erhitzte Körnerschicht entsprechend
zu erwärmen. Beispielsweise könnte ein derartiger Wärmeaustausch@er auch für Synthesengase
der Benzinherstellung mit Erfolg Anwendung finden.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist die folgende: ,Bei dem in Abb.
i dargestellten Schema tritt die Heizmischung, bestehend aus kaltem Heizgas und
kalter Luft, durch, das Rohr ? ein und strömt .abwärts durch die rechte obere Kammer
des Steuerzylinders undwieder aufwärts in die rechte Rohrleitung 5 zum Wärmeaustauscher,
wo sie zur Verbrennung gelangt. Das brennende Gemisch wird beispielsweise mittels
-eines die Strömungswiderstände überwindenden Lüfters (nicht gezeigt) durch die
poröse Gutschicht geleitet, wo die Verbrennung .als an sich bekannte Erscheinung
der Oberflächenverbrennung sich schnell und restlos vollzieht. Wegen der großen
inneren Oberfläche der porösen Gutschicht oder der Wand ist der Wärmeübergang ebenso
schnell und vollkommen. Die Abgase gehen. dann von diesem so aufgeheizten Wärm:eaustauscher
durch die rechte Leitung 4. in, die Kammer 4 des unteren Vierwegkopfes, von da wieder
aufwärts in die untere rechte Kammer des Steuerzylinders :und wieder abwärts über
die Kammer i o und die Leitung i ö ins Freie.
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Bei der gezeichneten Stellung der Steuereinrichtung in Abb. i tritt
die kalte Luft durch die Leitung 8 in die Kammer 8 des unteren Vierwegkopfes ein.
Sie durchströmt aufwärts gehend die linke untere Kammer des Steuerzylinders rund
fließt übler die linke Kammer 4 des unteren Vierwegkopfes in die Leitring 4 links
zum linken Wär meaustauscher. Hier nimmt sie die Wärme der heißen Gutschicht auf
und strömt durch die linke Leitung 5 über die linke obere Kammer des Steuerzylinders
in die Heißwindleiti-mg cg.
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Im rechten Wärmeaustauscher ist am Anfang der Aufheizzeit nur der
oberste Teil der porösen Schicht i heiß. Während der Aufheizzeit nimmt ,allmählich
die Dicke der heißen Schicht zu, bis .die warme Zone .an den Rost 2 gelangt. Dann
wird das zylindrische Steuerorgan6 (Abb. i) :jim 9o° gedreht, so daß der rechte
Regenerator enth@eizt und der linke aufgeheizt wird.