DE69101137T2

DE69101137T2 - Kompakter gasbeheizter Lufterhitzer.

Info

Publication number: DE69101137T2
Application number: DE69101137T
Authority: DE
Inventors: Der Veen Geuko Van
Original assignee: Gastec NV
Current assignee: Kiwa Gastec Holding NV
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2011-10-03
Also published as: JP2986982B2; EP0479388A1; IE913468A1; DE69101137D1; JPH04257655A; NL9002150A; EP0479388B1; IE67341B1; US5165386A; DK0479388T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher für die Erwärmung von Luft oder eines anderen Gases, der mindestens einen mit Gas beheizten Brenner umfaßt, der eine metallische rohrförmige Verbrennungskammer aufweist, welche ein Teil des Wärmeaustauschers ist und sich in der Bahn der zu erhitzenden Luft erstreckt.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Lufterhitzer, welcher für die Erwärmung von Prozeßluft in Öfen und Trocknern geeignet ist, die Temperaturen bis zu 400 ºC verwenden, in welchen die Vermischung verbrannter Gase und der Prozeßluft nicht zulässig ist.
Ein Problem, dem bei solchen Wärmeaustauschern Rechnung zu tragen ist, besteht darin, daß die Temperatur der verbrannten Gase bezogen auf die beabsichtigte Endtemperatur der zu erhitzenden Prozeßluft hoch ist und daß die Wärmeübertragung von Gas zu Gas mäßig ist, zumindest langsam erfolgt.
Bekannte Lösungen für dieses Problem umfassen die Verwendung teurer feuerfester Materialien für die rohrförmige Verbrennungskammer und/oder das Befeuern des Brenners mit einem großen Luftüberschuß, um die Flammentemperatur abzusenken. Die erstere Lösung hat den Nachteil eines hohen Kostenaufwandes, und die letztere Lösung führt zu einem mäßigen thermischen Wirkungsgrad und hohen Fuchsverlusten. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch Vorwärmen der Verbrennungsluft hat den Nachteil einer erhöhten NOx-Erzeugung.
Der Gegenstand dieser Erfindung ist, für einen Wärmeaustauscher für das Erhitzen von Luft oder eines anderen Gases zu sorgen, bei welchem die vorstehenden Nachteile überwunden sind.
Zu diesem Zweck umfaßt bei dem Wärmeaustauscher entsprechend der Erfindung die rohrförmige Brennkammer ein Mittel für die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche, wie beispielsweise Rippen, wobei die rohrförmige Brennkammer den ersten Zug von mindestens zwei parallelen Zügen bildet, die an ihren Enden über Umlenkkästen miteinander in Verbindung stehen und der Brenner ein Schnellbrenner ist.
Bei dem Wärmeaustauscher entsprechend der Erfindung kann die Brennkammer aus einfachem rostfreiem Stahl hergestellt werden. Die Gas-Luft-Mischung, die in das Brennkammerrohr durch den Schnellbrenner eingeblasen wird, erzeugt einen reduzierten Druck am Anfang der Kammer, so daß ein Teil der Gase, die schon abgekühlt sind, aus dem zweiten Zug wieder in die Brennkammer eingeleitet wird, wodurch bewerkstelligt wird, daß die Flammentemperatur auf 1100 - 1200 ºC begrenzt wird und der NOx-Gehalt niedrig ist. Gleichzeitig wird die Wärmeverteilung über die Wärmeübertragungsflächen infolge des großen verbrannten Gasvolumens, das durch die Züge rezirkuliert wird, verbessert.
Um die Gastemperatur in dem zweiten und irgendwelchen weiteren Zügen wirkungsvoll abzusenken, wird der zu erhitzende Luftstrom vorzugsweise im Gegenstrom geführt, d.h. von höher zu niedriger nummerierten Zügen.
Weiterhin können entsprechend der Erfindung die Rohre des zweiten Zugs ebenfalls Rippen zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche umfassen.
Um den Gütegrad der Wärmeübertragung zu verbessern, können sowohl in dem ersten, als auch in dem zweiten Zug mehr Rippen angeordnet werden, als auf Basis des Unterschiedes in der Wärmeübertragung notwendig sind. Es wird auf diese Weise bewerkstelligt, daß die Rohrwandtemperatur der Temperatur der Luft näher liegt, als der Temperatur des Verbrennungsgases.
Durch Bereitstellen von Kühlrippen an den Rohren der Brennkammer kann die Temperatur der Rohrwand derart abgesenkt werden, daß selbst im Fall einer Prozeßlufttemperatur von ungefähr 460 ºC und eines geringeren Druckabfalls der Prozeßluft über den Lufterhitzer die Rohre der Brennkammer und des zweiten Zuges aus einfachen rostfreien Stahlsorten hergestellt werden können.
Bei einer weiteren Durcharbeitung der Erfindung können mehrere Zügen jeweils parallel zu den ersten zwei Zügen angeordnet sein, wobei sie jedoch in Reihe geschaltet sind und in einen Gasabzug münden. Folglich wird die Luft, die über diese Züge im Gegenstrom strömt, allmählich durch eine verhältnismäßig geringe Wärmeübertragung in jedem Zug erhitzt.
Durch Bilden der aufeinanderfolgenden Züge aus Rohren, deren Anzahl und/oder dem Querschnitt mit jedem Zug abnimmt, wird die Abnahme des Gasabzugsvolumens als Ergebnis der Kühlung ausgeglichen, und die Geschwindigkeit des Gasabzugsgases in den Rohren bleibt ausreichend hoch, um eine gute Wärmeübertragung sicherzustellen, wenn die Gestaltung kompakt ist.
Die Rohre des dritten und weiterer Züge können ebenfalls mit Kühlrippen versehen werden, doch ist dies weniger relevant, weil das Risiko des Überschreitens der maximal zulässigen Wandtemperatur hier gering ist.
Es wird bemerkt, daß ein solcher Wärmeaustauscher für die Erhitzung von Luft durch Strahlung bekannt ist, der einen Schnellbrenner und eine rohrförmige Brennkammer umfaßt, welche an ihren Enden mit einer rohrförmigen zweiten Gasabzugsstufe für eine Rezirkulation des verbrannten Gases in Verbindung steht. Jedoch ist die zweite Stufe konzentrisch um die Brennkammer herum angeordnet, und beide sind aus Materialien hergestellt, die gegen hohe Temperaturen beständig sind, welche für die Wärmeübertragung durch Strahlung angemessen sind.
Es ist weiter an und für sich aus US-A-4860725 bekannt, einen gasbefeuerten Brenner und einen Wärmeaustauscher in einen Durchtritt für die zu erhitzende Luft anzuordnen, wobei dieser Wärmeaustauscher eine Anzahl von Gasabzugsstufen umfaßt, die jeweils aus einer Vielzahl paraleller mit Rippen versehener Rohre gebildet werden, welche sich quer in dem Luftdurchtritt erstrecken und durch Sammelrohre in Reihe geschaltet sind.
Um die Erfindung klarzustellen, wird jetzt in Form eines Beispiels eine Ausführungsform des kompakten gasbefeuerten Lufterhitzers unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Entsprechend der Zeichnung, welche ein schematischer Längsschnitt des Wärmeaustauschers für die Erhitzung von Prozeßluft ist, umfaßt der Lufterhitzer einen Schnellbrenner 1 mit einer Zuführung 2 für Gas und einer Zuführung 3 für Verbrennungsluft. Der Brenner 1 ist in eimer gewissen Entfernung vor einer rohrförmigem Brennkammer 4 montiert. Die Brennkammer 4 umfaßt Umlenkkästen 5 und 6, zwischen denen sich auch Rohre 7 des zweiten Zuges erstrecken, so daß deren Enden in offener Verbindung mit der Brennkammer 1 stehen.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Rohre sowohl des ersten, als auch des zweiten Zuges mit Kühlrippen versehen, welche die externe Wärmeübertragungsfläche vergrößern.
Die Abmessungen des Brennerkopfes 1, der Brennkammer 4 und die Dimensionen und/oder die Anzahl von Rohren 7 des zweiten Zuges bestimmen das Ausmaß der Rezirkulation von verbranntem Gas.
Ein Brennerkopf 1 mit einer Flügeldüse, die einen Durchmesser von 35 mm hat, eine Brennkammer 4, die eine Länge von 600 mm und einen Durchmesser von 100 mm hat und ein zweiter Zug, der aus 20 Rohren 7 von derselben Länge wie die Brennkammer besteht und einen Durchmesser von 23 mm haben, ergibt gute Resultate bei einer Brennerleistung von ungefähr 120 kW. Die Umlenkkästen sind innen mit einer feuerfesten isolierenden Platte ausgekleidet.
Über den an den Brenner 1 angrenzenden Umlenkkasten 5 können die verbrannten Gase zu einem dritten Zug 8 entweichen, der aus 20 mit Rippen versehenen Rohren besteht, die eine Länge von 600 mm und einen Durchmesser von 15 mm haben. Über einen Umlenkkasten 9 können diese Gase einen vierten Zug erreichen, der aus 16 Rohren derselben Abmessungen besteht und danach einen fünften Zug 11 und einen sechsten Zug 12, welche beide aus 12 Rohren bestehen, die gleichfalls eine Länge von 600 mm und einen Durchmesser von 15 mm haben.
In der Praxis könnten nur zwei Umlenkkästen vorgesehen sein, in welchen die Verbindung zwischen den verschiedenen Zügen mit Hilfe von Trennwänden hergestellt wird.
Der letzte Zug steht mit einem Gasabzug 14 über die Gasabzugs- Sammelkammer 13 in Verbindung.
Die Strömungsrichtung der zu erhitzenden Prozeßluft wird durch die Pfeile 15 angezeigt.

Claims

1. Wärmeaustauscher zum Erhitzen von Luft oder eines anderen Gases, versehen mit mindestens einem gasbeheizten Brenner mit einer metallenen rohrförmigen Verbrennungskammer, die zum Wärmeaustauscher gehört und sich in der Bahn der zu erhitzenden Luft erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Brennkammer (4) mit die Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Mitteln, wie Rippen (V), versehen ist, wobei die rohrförmige Brennkammer (4) den ersten Zug von mindestens zwei parallelen Zügen bildet, die an den Enden über Umlenkkasten (5,6) miteinander in Verbindung stehen, und wobei der Brenner (1) ein Schnellbrenner ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zu erhitzender Luft im Gegenstrom (15) geführt ist, d.h. von höher zu niedriger numerierten Zügen (12-4).

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) des zweiten Zuges auch mit die Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Rippen (V) versehen sind.

4. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im ersten (4) als auch im zweiten (7) Zug mehr Rippen angeordnet sind, als auf Basis des Unterschiedes in der Wärmeübertragung notwendig ist.

5. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Züge (8-12) jeweils parallel zu den ersten zwei Zügen (4, 7) angeordnet sind, wobei sie jedoch in Reihe geschaltet sind und in einen Gasabzug (13, 14) münden.

6. wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Züge aus Rohren (4-12) gebildet sind, deren Anzahl und/oder Querschnitt mit jedem Zug abnimmt.