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Vorrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere Kohlenwasserstoffölen
Die Erfindung betrifft die Heizung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kohlenwasserstoffölen,
in einem aus Rohren bestehenden und in einer Heizkammer symmetrisch zu zwei parallelen
Strahlungswänden angeo,rdneten Heizelement.
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Gemäß der Erfindung werden die Rohre des Heizelementes innerhalb einer
Verbrennungsheizkammer außerhalb des Weges der Flammen gleichmäßig auf beiden Rohrseiten
sowohl der unmittelbaren Wärmestrahlung von die beiden parallelen Strahlungswände
bespülenden Flammen als auch der Wärmestrahlung der unmittelbar befeuerten Strahlungswände
ausgesetzt.
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Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen sind schon für die Erhitzung
von Flüssigkeiten in rohrförmigen Heizelementen vorgeschlagen worden. Diese Vorschläge
lassen sich allgemein in die zwei Gruppen der Erhitzung durch Wärmestrahlung und
durch Wärmeleitung teilen. Bei der bekannten Erhitzung durch Wärmeleitung trifft
das Heizmittel, z. B. die Flammen oder Heizgase, unmittelbar auf die Heizflächen
auf oder umspült diese. Bei der Erhitzung durch unmittelbare Strahlung ist man dagegen
im allgemeinen bestrebt, die Wärmeübertragung durch Berührung mit dem Heizmittel
zu verhindern. Gemäß zahlreichen bekannten Vorschlägen zur unmittelbaren Strahlungserhitzung
umgibt man den Weg der Flamm- und Heizgase ganz oder teilweise mit Heizelementen,
die in einer Reihe von Rohren oder in mehreren parallelen oder konzentrischen Reihen
von gegeneinander versetzten Rohren an den Wandungen der Heizkammer entlang so angeordnet
sind, daß eine Berührung mit den Flamm- und Heizgasen weitgehend verhindert wird.
Bei dieser sog. Gemischstrahlungsheizung werden die einzelnen Rohre auf den den
Flammen und Heizgasen zugekehrten Seiten durch direkte Strahlung, auf der anderen
Seite dagegen nur durch Rückstrahlung von den Wandungen aus erhitzt, so daß die
Rohre nicht auf allen Seiten gleichmäßig beheizt werden. Auch ist bekannt, die einzelnen
Rohre von Heizelementen auf einer Seite der direkten Strahlung auszusetzen und sie
dabei gleichzeitig mit den sie umspülenden Heizgasen zu beheizen, so daß auch hier
eine ungleichmäßige Wärmeeinwirkung auf entgegengesetzten Seiten der Heizrohre zustande
kommt.
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Ferner wurde vorgeschlagen, eine ihrem Umfang entlang mit Heizrohren
ausgekleidete kesselförmige Heizkammer durch mehrere konzentrische Rohrreihen in
mehrere konzentrisch zueinander liegende Brennkammern zu unterteilen, von denen
die inneren allseitig Strahlungswärme aufnehmen. Da hierbei die Heizkammerwandungen
von der äußeren Kesselrohrreihe abgeschirmt sind, wird diese äußere Rohrreihe auf
einer Seite durch Strah-
Jung von der Wandung, auf der anderen Seite
durch Strahlung von den Heizgasen erhitzt,
| während die inneren Rohrreihen eine Str |
| lung lediglich von den Heizgasen aufne |
| und alle Rohre infolge größtmöglicher ;', |
flächenanordnung in dem beschränkten Raunil-`: auch der Wärmeübertragung durch Berührung
unterliegen. Auch durch diese Heizrohranordnung ist es nicht möglich, den der Wärmestrahlung
ausgesetzten Rohren auf allen Seiten praktisch gleiche Wärmemengen zuzuführen.
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Nach einem weiteren Vorschlag werden die Rohre einer Wärmeaustauschvorrichtung
in einer Heizkammer symmetrisch zu je zwei parallelen Strahlwänden so angeordnet,
daß die Strahlwände enge Heizzüge für den Durchgang von Heizgasen bilden und die
Rohre von den zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs mit möglichst hoher Geschwindigkeit
durch diese engen Heizzüge hindurchgeführten Gasen umspült werden sowie gleichzeitig
der Wärmeübergang dadurch erhöht wird, daß die Strahlwände durch die sie bestreichenden
Heizgase zur Wärmeausstrahlung auf die Rohre gebracht werden. Der Heizraum wird
dabei überwiegend von den Strahlungswänden und den zwischen je zwei von ihnen angeordneten
Rohrreihen ausgefüllt und mit Heizgasen aus einer vorgeschalteten Kammer gespeist.
Die durch eine derartige Gasbebeizung erzielbare Wärmeübertragung kann jedoch für
eine gegebene Wärmeaufnahmefläche niemals das gleiche Ausmaß erreichen, das ohne
besondere Schwierigkeit und ohne Gefahr örtlicher Überhitzungen auf dem erfindungsgemäßen
Wege der unmittelbaren Strahlung aus Flammen und flammbespülten Strahlungswänden
auf von den Flammen nicht berührte Rohre erzielt wird, da die Flammen und die unmittelbar
befeuerten Wände eine bedeutend größere Strahlungsintensität herbeiführen als die
aus einem Feuerungsraum entnommenen Heizgase.
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Die erfindungsgemäße Beheizung der Rohre des Strahlungsheizelementes
durch gleichmäßige unmittelbare Bestrahlung auf beiden Rohrseiten ermöglicht eine
ungewöhnlich hohe Wärmezufuhr zu der aufzuheizenden Flüssigkeit und gestattet, praktisch
jede gewünschte Heiz- oder Temperaturkurve des durch die Rohre fließenden Stoffes
zu erzielen.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung kann die zur Erzielung der
gleichen Heizwirkung erforderliche Heizfläche erheblich geringer gewählt werden
als bei der bekannten @%'ärmeübertragung durch Heizgase und der sog. Gemischtstrahlungsbeizung.
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Durch die gleichmäßige Beheizung jedes einzelnen Heizrohres werden
Spannungen innerhalb der Rohrwandungen vermieden, welche auftreten, wenn an verschiedenen
Punkten des Rohres verschiedene Heiztemperaturen herr-
| hem |
| e.mäß einem Ausführungsbeispiel der Er- |
| f fi ung wird C51 zunächst durch Wärmeleitung |
tv' Rohrbündeln der üblichen Bauart, dann durch eine Gemischtstrahlungsheizung der
herkömmlichen Bauart und darauf durch Strahlung gemäß der Erfindung erhitzt, wobei
dieser Teil der Heizung in Rohrbündel oder Rohrgruppen unterteilt ist, die unabhängig
voneinander beheizt werden, so daß die Heizung in jedem Abschnitt dieses Teils der
Erhitzung gesondert geregelt werden kann.
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Hierdurch kann die Aufheizung dem Charakter des aufzuheizenden Öles
genau angepaßt werden; z. B. kann man wunschgemäß die Aufheizungsgeschwindigkeit
in den einzelnen Stufen steigern oder erniedrigen oder auch in einem gewissen Bereich
die Temperatur des Öles konstant halten, um hier lediglich die zur Verdampfung oder
Spaltung notwendige Wärme zuzuführen. Man hält z. B. eine oder mehrere getrennte
Abschnitte der Strahlungszone für eine bestimmte Zeit auf der gewünschten Temperatur,
wenn leichte Destillate, insbesondere Benzin, Rohbenzin, Schwerbenzin, Leuchtöl,
auf hochklopffeste Motorbrennstoffe verarbeitet werden sollen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält jeder
Abschnitt der Strahlungsheizzone zwei benachbarte Reihen von Rohren in gegeneinander
versetzter Anordnung, so daß jedes Rohr auf beiden Seiten der direkten Bestrahlung
der die Rohrgruppe einschließenden Heizflamme bzw. der sie umgebenden Feuerungswandungen
der Verbrennungszone ausgesetzt ist. Benachbarte Rohre in den verschiedenen Reihen
können miteinander in Serie geschaltet sein, jedoch ist vorzugsweise jedes Rohr
in Serie mit dem benachbarten Rohr der gleichen Rohrreihe geschaltet, und die verschiedenen
Rohrreihen selbst sind wieder unter sich parallel geschaltet, so daß getrennte und
gleiche Ströme desselben Öles gleichzeitig durch zwei parallele Rohrreihen strömen.
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Diese Maßnahmen erlauben hohe Durchsätze durch die Heizrohrschlangen
unter Vermeidung von übermäßigen, aus der Rohrreibung herrührenden Druckverlusten.
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Auch die der Strahlungszone vorgeschalteten Rohrgruppen können sowohl
in Serie als auch parallel geschaltet sein.
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Es ist durch Versuche nachgewiesen, daß das neue Verfahren eine durchschnittlich
um 5o °/o höhere Wärmezufuhr zum Öl erlaubt als bei Anwendung der herkömmlichen
Strahlungsheizungen, wenn man nur eine einzige Rohrreihe verwendet, und eine um
ungefähr
8o'/, größere Wärmezufuhr, wenn zwei Reihen angewendet
werden.
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Die Anordnung von zwei benachbarten, gegeneinander versetzten Rohrreihen
bei der` erfindungsgemäßen Bauart der Heizkammern ist wesentlich wirksamer als die
von zwei Rohrreihen in der bisher üblichen Anordnung. Während also bei einer zweireihigen
Heizrohranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung beide Rohrreihen praktisch gleiche
Wärmemengen erhalten, erhielt bei den bisher üblichen Feuerungsbauarten die unmittelbar
der Strahlungsheizung unterworfene Rohrreihe ungefähr 6o °/a mehr Wärme als die
abgeschirmte Reihe.
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Vergleicht man in anderer Weise die Vorteile der vorliegenden Erfindung
gegenüber den bekannten Bauarten von Heizungen und nimmt man die Wärmeaufnahme durch
eine einzige Rohrreihe, die in der üblichen Weise einseitig durch Strahlung beheizt
wird --_ ioo °/o an, so wird, wenn man dieser Reihe eine zweite Reihe überlagert,
die Wärmeaufnahme der beiden Rohrreihen, gleiche Feuerungsintensität und gleicher
Wärmeabfall vorausgesetzt, nur um 12 °/o erhöht. Von der Gesamtwärmemenge nimmt
die erste Reihe ungefähr 78 °/a und die zweite (abgeschirmte) Reihe ungefähr 34
% auf, d. h.- die bestrahlte Reihe nimmt ungefähr 2,2gmal so viel Wärme auf
wie die abgeschirmte Reihe. Wird bei dieser Beheizungsweise das Heizgut in zwei
parallele Flüssigkeitsströme zerlegt, so wird der Heizeffekt auf die in der ersten
Reihe strömende Flüssigkeit 2,2gmal größer werden als der auf die in der zweiten
Reihe strömende Flüssigkeit.
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Bei erfindungsgemäßer Anordnung von nur einer Heizrohrreihe wird die
Wärmeaufnahme dieser Reihe, verglichen mit der der ersten Reihe, gemäß dem vorerwähnten
Beispiel, nämlich der einreihigen Anordnung üblicher Bauart, -wie Versuche ergaben,
i50 °/o betragen. Bei zwei Heizrohrreihen in erfindungsgemäßer Anordnung beträgt
die Wärmeaufnahme dieser beiden Reihen, bezogen auf die Wärmeaufnahme eines zweireihigen
Heizelementes bekannter Bauart, i;9)/0, d. h. diese Anordnung gestattet eine um
8o % höhere Wärmeaufnahme bei gleicher Anzahl von Heizrohren.
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Gemäß der Erfindung ist die Wärmeaufnahme in beiden Rohrreihen ungefähr
gleich, so daß, wenn das 01 durch diese Rohrreihen in parallelen Strömen fließt,
beide Ölströme praktisch die gleiche Erwärmung erfahren.
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Eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist
in den Zeichnungen dargestellt.
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Fig. i zeigt die Aufsicht auf einen Heizofen, teilweise im Schnitt,
Fig.2 einen senkrechten Querschnitt gemäß Linie 2-z der Fig. i.
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" Der Ofen besteht aus den Wänden i, 2, 3, 4, der Decke 5 und dem
Boden 6. Zwischenti,ände 7 und 8, die von der Decke bis dicht über den Boden 6 heruntergehen,
teilen den Verbrennungsraum des Ofens in drei Hauptverbrennungs- und Heizkammern
g, io und i i. Die Zwischenwände 7 und 8 bestehen aus je zwei Wänden mit darin liegenden
Zwischenräumen,, welche z. B. eine nicht gezeichnete eiserne Tragkonstruktion enthalten
können. In den Zwischenräumen der Doppelwände 7 und 8 kann auch die gesamte Verbrennungsluft
oder ein Teil von ihr vorgewärmt werden. Auf der Decke 5 sind Brennerkörper 12 angeordnet,
durch -welche die Heizabteilungen g, io und i i beheizt werden. Die Brenner 14 leiten
flüssige, gasförmige oder pulverförmige Brennstoffe in die Brennerkanäle
13
ein. Dampf zur Zerstäubung des Brennstoffes und bzw. oder ein Teil der
Verbrennungsluft kann ebenfalls durch die Brenner 14 miteingeführt werden, während
der Hauptteil der Verbrennungsluft durch Luftkanäle 15 eingeführt wird. Wie in der
Fig.2 dargestellt ist, weichen die Brennerköpfe bzw. die Brennerkanäle
13 etwas von der senkrechten Richtung ab, und ,zwar sind sie gegen die Seitenwände
gerichtet, so daß die Heizflamme gegen die Innenfläche der Wandungen i und 2 bzw.
Zwischenwände 7 und 8 gerichtet ist. Zwischen den Einmündungen der Brennerkanäle
13 in die Heiz- oder Feuerkammern g, io und i i ist die Decke 5 nach innen eingezogen,
so daß Vorsprünge 16 entstehen, die zusammen mit den Seitenwänden bzw. der Decke
Verbrennungsräume 17 bilden, in denen der Brennstoff mit der Verbrennungsluft
gemischt und teilweise verbrannt wird, bevor das Gemisch in die Heizabteilungen
g, io und ii gelangt.
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Durch Veränderung der Brennerstellung ist eine weitgehende Überwachung
der Wärmeverteilung in den Heizabteilungen möglich, insbesondere durch Verlegung
der Zone, in welche die heißen Gase auf die feuerfesten Innenwandungen der Kammer
treffen. Auf diese Weise kann durch Veränderung des Winkels und der Stellung der
Brenner die heißeste Zone der Ausmauerung und damit die Zone stärksten Wärmeüberganges
beliebig nach oben oder unten verlegt -werden, wodurch die Wärmeaufnahme durch den
Flüssigkeits-bzw. Ölstrom geregelt -werden kann. Es ist zu diesem Zweck vorgesehen,
daß sowohl die Brenner als solche verschobene werden können als auch der Winkel
verstellt werden kann, unter dem die Flamme und die heißen Gase auf die Wandungen
der Heizkammer treffen, z. B. können die Brennerkanäle 13 über die
ganze
Breite des Ofens sich erstrecken, um eine Verschiebung der Brennerköpfe in jede
gewünschte Stellung zu ermöglichen, und die Brenner selbst können eine Verstellvorrichtunghaben,
um den Auftreffwinkel der Brenngase auf die Ofenwandungen zu verändern.
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Die heißen Verbrennungsgase entweichen aus den Kammern 9, io und i
i am Boden des Ofens entlang durch den Raum 18, der zwischen dem Boden 6 und den
unteren Enden der Zwischenwände 7, 8 und der Seitenwand 2 liegt. Von hier gelangen
die Abgase zur Kammer i9, weiter durch die Züge 2o, den Sammelzug 2i zum Lufterhitzer
22, in welchem die Verbrennungsluft durch mittelbare Berührung mit den Abgasen vorgewärmt
wird, und schließlich durch den Abzug 23 zum Kamin. Die Verbrennungsluft wird durch
ein geeignetes Gebläse durch die Leitung 24 dem Lufterhitzer 22 bekannter Bauart
zugeführt, und die vorgewärmte Luft gelangt dann weiter durch den Kanal 25 zu den
Zweigkanälen 26, an deren Eingang die Drosselklappen 27 angeordnet sind. Die Zweigkanäle
26 speisen die ebenfalls mit Drosselklappen 28 versehenen Luftkanäle 15, die unmittelbar
in die Brennerkanäle 13 einmünden, so daß diesen sowie den Brennern 14 genau bemessene
und vorgewärmte Luft zugeführt wird.
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Das Heizrolirsysteln besteht, soweit es in den Heizkammern 9, io und
i i untergebracht ist, aus je zwei senkrechten Reihen 29, 30 von waagerecht
verlaufenden Heizrohren 31. Die benachbarten Rohre der beiden Rohrreihen sind gegeneinander
versetzt, so daß beide Seiten jedes Rohres der Bestrahlung durch die Heizgase und
die heiße Ausmauerung gleichmäßig ausgesetzt sind.
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Ein weiterer Teil des Heizrohrsystems, der nach dem bekannten System
der Gemischtstrahlungsheizung beheizt wird, liegt im Raum 18. Er bestellt aus einer
Reihe Horizontaler, dicht über dein Boden 6 liegender Rohre, die auf der einen Seite
der unmittelbaren Bestrahlung durch die Verbrennungsgase und auf der anderen Seite
der von der Ausmauerung des Bodens 6 zurückgeworfenen Hitze ausgesetzt sind.
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Ein weiterer Teil des Heizrohrsystems liegt in Gestalt einet- Gruppe
von Rohren 34, 35 in der Kammer i9 und wirkt als Vorwärmer für das Heizgut. Die
gestrichelten Linien der verschiedenen Rohrzonen 29, 30, 31 und 32 -neigen den Verlauf
der Flüssigkeitsströmung durch die Heizrohrzonen, ebenso die in diese Linien eingezeichneten
Pfeile.
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Das zu erhitzende Öl tritt in die durch Wärmeleitung beheizten Rohrsätze
3.4, 35 ein, und zwar wird es hier in zwei Ströme geteilt, voll denen jeder eine
gleiche Anzahl von Heizrohren durchfließt, so daß beide Ölströme gleiche Erhitzung
erfahren. Dann strömt das öl nach Vereinigung dieser beiden Heizströme durch
die Rohre 33 der Rohrreihe 32 durch die Zone der Gemischtstrahlungsheizung (Kammer
18), und zwar im Gleichstrom zu den Verbrennungsgasen. Der die Rohrreihe 32 verlassende
Ölstrom wird dann wieder in zwei gleiche Ölströme aufgeteilt, die parallel zueinander
durch die Rohrreihen 29 und 30 und im Gegenstrom zur Richtung der Flamme
bzw. dem Strom der Verbrennungsgase strömen. Das Ü1 kann so bis zu der gewünschten
Spalttemperatur oder bis in die Nähe dieser Temperatur in der Heizkammer i i erhitzt
werden, wobei die Kammerabteilungen 9 und io als Verweilzone wirken, in denen das
01 in der Nähe der Spalttemperatur gehalten wird, wodurch die nötige Zeit
zur Spaltung geschaffen wird'.
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Bei dieser Arbeitsweise können die Heizbedingungen in den Kammerabteilungen
9 und io milder gehalten werden als die in der Kammerabteilung ii, da es ja nur
notwendig ist, die in i i erreichte Temperatur aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die besondere Art der Apparatur beschränkt,
wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, auch nicht auf die besondere Art der Flüssigkeitsführung
durch die Heizrohre. So kann z. B. der Ofen vom Boden statt von der Decke aus beheizt
werden. In diesem Falle kann man die Rohrreihe 32 in der Nähe der Decke anordnen,
und die (jlzufiihrung kann derart eingerichtet sein, daß das 01 entweder
von oben nach unten oder von unten nach oben fließt. Die verschiedenen Heizelemente
der Strahlungszone können miteinander oder mit der Gemischtstrahlungszone bzw. der
Heizzone, die durch Wärmeleitung beheizt wird, in einer beliebigen Reihenfolge verbunden
sein. Die Richtung der Heizgase kann beliebig sein. Die zu behandelnde Flüssigkeit,
z. B. das 01,
kann durch die aus den Doppelreihen 29, 30 bestehenden Elemente
in allen Heizkammern oder auch nur in einzelnen von diesen Heizkammern entweder
in Serienführung oder in Parallelschaltung geführt werden. Das gleiche gilt für
die Ölführung in der Heizrohrgruppe 3-1, 35. Desgleichen kann das Ü1 in der Rohrgruppe
32 in zwei Strömen geführt werden, so daß auch hier das Heizgut in zwei parallelen
Strömen fließt.
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Es können auch in der Nähe des Bodens mehrere Rohrreihen 32 angeordnet
sein, oder es kann dieser Teil der Heizzone ersetzt oder vermehrt werden durch eine
Reihe oder mehrere Reihen von Rohren, die in der Nähe der Decke und des Bodens eines
verlängerten
Kanals untergebracht sind, der die Zone 18 mit der
Zone ig verbindet.
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Die beanspruchte Vorrichtung kann auch zum Erhitzen von Dämpfen verwendet
werden.