DE7724147U1 - Vorrichtung zur kuehlung von abgaskruemmern - Google Patents

Description

LANDWEHRSTR. 37 SOOO MÜNCHEN 2 !

Tel. o as / es er S4

München, den 8. November 1979 /J Amtl.Aktenz. : G 77 2% l47-5 Anwaltsaktenz. : 194 - Pat. l8

SIDEPAL S. A. Societe Industrielle de Participations Luxembourgeoise, l4, rue Aldringen, Luxembourg

/Vorrichtung zur Kühlung von Abgaskrümmern —

Die Neuerung betrifft die Kühlung von Abgaskrümmern und insbesondere eine Vorrichtung bestehend aus einem Abgaskrümmer mit gekühlter Rohrwandung.

Abgaskrümmer für Industrieöfen sind gegenüber Abgaskaminen die thermisch höchstbelasteten Bauteile der gesamten Abgasführung in Industriebetrieben. Die thermische und mechanische Beanspruchung eines Abgaskrümmers rait einer Umlenkfunktion des Abgasstromes von ca. 90 unmittelbar am Ofendeckel ist unvergleichbar hoch und ist mit einer Problemstellung bei Abgaskaminen, die im wesentlichen vertikal verlaufen, und nur geringfügige Krümmungen aufweisen sowie erheblich niedrigere Abgastemperaturen führen, nicht vergleichbar. So haben heute noch die Abgaskrümmer an Industrieöfen die geringste Standzeit, da die Wandungen Abgastemperaturen von l400 bis l600 C ausgesetzt sind, durch die sehr hohe unterschiedliche Spannungen uj.d lokale Materialzersetzungen erzeugt werden und zur frühzeitigen Zerstörung des Abgaskrümmers führen.

Abgaskrümraer mit doppelten Wandungen zur Durchleitung eines Kühlmediums werden bisher aus Blechsegmenten mit winkligen Abschnitten hergestellt. Diese bekannten Abgaskrümmer haben für die Umlenkung der heißen Abgase strömungsungünstige Nachteile, da an jedem winkligen Stoß sich erhebliche Turbulenzen und damit _; verbundene Wärmestaus bilden, die mit den bekannten Kühlsystemen ΐ nicht zu beherrschen sind. Eine Dampfblasenbildung ist an diesen * Stellen nicht zu verhindern, und die Zerstörung der Abgaskrümmer '

ist die unvermeidbare Folge. \

\ Die weiteren ursächlichen Zusammenhänge für eine frühzeitige

Zerstörung der bekannten Abgaskrümmer sind darin zu sehen, daß die wärmsten Zonen, die im allgemeinen im Querschnittssektor der größten Radien im Abgaskrümmer liegen, mittels Kühlmittel an die Wandungsteile der kühleren Querschnittssektoren übertragen wer- \ den. So wurde z. B. bei Abgaskaminen mit bekannter Rohrwandung bereits vorgeschlagen, das Kühlmittel durch die in vertikale Sektionen unterteilte Rohrwandung strömen zu lassen, wobei die Geschwindigkeit des Kühlmittels in den einzelnen Sektionen in <. Abhängigkeit von der anfallenden Wärmemenge geregelt wird (DTPS Ik 08 919).

Die Lehre dieses Patents ist aber für Abgaskrümmer nicht anwendbar, da der Kühlmittelfluß unter Schwerkraft nicht in der Lage ist, lokale Spitzentemperaturen, wie sie in Abgaskrümraern auftreten, zu beherrschen und die entsprechend anfallende Wärme abzuführen. Einer der wesentlichsten Nachteile liegt aber darin, daß die intensivierte Abführung der Wärme in bestimmten Sektionen des Abgasquerschnitts auf die gesamte Länge an andere Wand'Sngs- !. teile des Abgaskamins übergeleitet wird. Dadurch entstehen auch in den Abschnitten des Abgaskamins Spannungen durch Temperaturdifferenzen, wo sonst eine vorteilhafte gleichmäßige Wärmeverteilung in der Rohrwandung bestand. Die Temperaturdifferenzen wurden bei diesen bekannten Vorrichtungen nicht innerhalb der gesamten Abgasführung ausgeglichen, sondern nur auf andere Wandungsteile verlagert, so daß die zerstörende Wirkung durch Wärme-

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differenzen nicht beseitigt werden konnte. Ferner ist nach diesem bekannten Vorschlag der Strömungsquerschnitt des Kühlkreislaufs durch Steuerventile eingeengt, so daß eine Wärmeabführung im Temperaturbereich der Dampfblasenbildung nicht gewährleistet ist.

Ziel der vorliegenden Neuerung ist die Lösung des kühltechnischen Problems in Abgaskrümmern, so daß lokale Überhitzungen in der Wandung eines Rohrkrümmers verhindert und Spannungen durch Temperaturdifferenzen in der gesamten Wandungsfläche mit Sicher™ heit vermieden werden.

Hierzu wird neuerungsgemäß zur Kühlung von Abgaskrümmern unter Verwendung an sich bekannter Kühlwandungen mit in Strömungsrichtung der Abgase verlaufenden Kühlkanäle vorgeschlagen, die in Strömungsrichtung im Mantel eines Abgaskrümmers im Bereich eines bestimmten Querschnittssektors entstehende konzentrierte Wärme durch regelbaren Kühlmitteldruck und Kühlmitteldurchsatz über in Längsrichtung im Mantel in einem Querschnittssektor angeordnete Kühlkanäle gleichgroßen Strömungsquerschnitts innerhalb des gesamten Kühlkreislaufs unmittelbar im Bereich ihrer Entstehung abzuführen und die Manteltemperatur auf das Niveau der kühleren Mantelteile bzw. Querschnittssektoren, respektive dieser separaten Kühlkreisläufe, abzusenken.

Dadurch wird erreicht, daß die wärmsten Zonen, die im allgemeinen im Bereich der größten Radien der Kz-ümmerwandungen im Längsbereich eines bestimmten Sektors des gesamten Querschnitts liegen, begrenzt bleiben und nicht auf die angrenzenden kühleren Wandungsteile der übrigen Querschnittssektoren übergeleitet werden. Nach einem weiteren Vorschlag wird die damit im gesamten Mantel des Rohrkrümmers ausgeglichene Temperatur proportional weiter geregelt, um eine Einregulierung der ausgeglichenen Temperatur aller Kühlkreisläufe auf eine gewünschte Betriebstemperatur einzusteuern.

Nach der Neuerung werden Spannungsrisse, die durch hohe Temperaturdifferenzen im Mantelkrümmer entstehen, weitgehend vermieden. Lokale Überhitzungen, die im allgemeinen zur Dampfblasenbildung und damit zum Zusammenbruch des Kühlkreislaufs führen, werden durch die Zwangskühlung bei unbedingt einzuhaltenden gleichbleibenden Strömungsquerschnittes im gesamten Kühlkreislauf bzw» in den einzelnen Kühlkreisläufen innerhalb bestimmter Querschnittssektoren mit Sicherheit vermieden, wie umfangreiche Versuche in der Praxis bewiesen haben.

Es hat sich gezeigt, daß die Standzeit eines Abgaskrümmers nach der Neuerung gegenüber den bisher bekannten Abgaskrümmern um mehr als das Doppelte verlängert werden konnte.

Zur Verwirklichung des neuerungsgemäßen Gedankens dient eine Vorrichtung, die an sich bekannte Rohrwandungen, bei denen kühlmittelführende Rohre nebeneinanderliegend miteinander verschweißt sind und die Kühlung sektionsweise im Umfang des Abgaskamins durchgeführt werden kann, aufweist. Neuerungsgemäß sind die aus einzelnen, dem gewünschten Krümmungsradius entsprechend gebogenen, nebeneinanderliegenden und in Strömungsrichtung der Abgase verschweißten Rohrstücke so geordnet, daß mindestens zwei benachbarte Rohre jeweils am Ende des Krümmungsradius an eine Zuleitung und an eine Ableitung eines Kühlmediums angeschlossen sind, wobei die mit einem ununterbrochenen, regelbaren bzw. einstellbaren Kühlmittelstrom beaufschlagbaren Kühlschlangen von der Zuleitung bis zur Ableitung des Kühlmediums einen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt aufweisen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform werden zur Bildung besonders vorteilhafter Kühlschlangen die Enden jeweils zweier benachbarter Rohre so aufgedornt, daß die aneinanderliegenden Wandungen beider Rohrenden auf eine Länge, die ca. dem Durchmesser eines Rohres entspricht, etwa parallel nebeneinanderliegend miteinander verschweißt und die beiden offenen Rohr-

enden unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Strömungsquerschnitts mittels einer entsprechend geformten Umlenkkappe verbunden und mit den Rohrenden verschweißt sind.

Die Neuerung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen bei"
spielsweise erläutert werden.

Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgaskrümm er s ,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines neuerungs-

und 3 -ο at- , -

gemäßen Abgaskrummers,

Fig. k Verbindung zweier Kühlrohre zur Bildung

und 5 - ir··,--! τ.π

einer Kuhlschlange.

Die schematische Darstellung in Figur 1 zeigt einen Rohrkrümmer 1 mit einer Umlenkung des Abgasstromes um 90 . Die höchste thermische Belastung des Mantels 2 erfolgt etwa im Bereich des Mantelsektors oC . Der Mantel 2 besteht aus einzelnen Rohrstükken 3f3₁» die mittels einer Umlenkkappe k zu einer Kühlschlange 5 miteinander verbunden sind und einen geschlossenen Kühlkreislauf bilden. Die Einleitung 6 und die Ableitung 7 eines
Kühlmittels erfolgt an einem Ende der wärmsten Zonen im Mantel 2 und sorgt für eine schnelle Ableitung der Wärme aus dem entsprechenden Sektionsbereich. Die profilierte Rohrwandung 2 der längsverschweißten Rohre sind für den neuerungsgemäßen Rohrkrümmer 1 besonders vorteilhaft, da die vergrößerte Oberfläche die Warme in an sich bekannter Weise rasch aufnimmt und außerdem
den Abgasstrom 8 turbulentfrei zum Krümmungsradius führt. Dadurch werden gefährliche Wärmestaus in der Wandung 2 und die
Überleitung der Wärme auf die thermisch gering belasteten Wandungsteile vermieden.

In den Figuren 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Rohrkrümmers 1 dargestellt. Die Einleitungen 6 und die Ableitungen der einzelnen Kühlkreislaufe sind am oberen. Ende des Rohrkrümmers angeordnet. Der Zwangskühlkreislauf erfolgt nach diesem Ausführungsbeispiel über einen Verteiler 9 an dem die einzelnen Kühlkreisläufe, mit jeweils auf die thermischen Bedingungen der einzelnen Sektionen abgestimmten Strömungsquerschnitten und Strömungswiderständen, angeschlossen sind. Die Ableitungen 7 der Kühlkreislaufe erfolgen über einen Sammler 10.

Der Abgaskrümmer 1 ist außerdem mit einem an sich bekannten, wassergekühlten Flansch 11 versehen. Der Flansch 11 besteht neuerungsgemäß ebenfalls aus einer an sich bekannten Rohrwandung. Die Rohre 12 sind hier spiralförmig zusammengeschweißt und an einen oder an mehrere separate Kühlkreisläufe angeschlossen. Hierdurch werden Wärmespannungen auch im Anschlußflansch vermieden und immer eine plane Anschlußebene 13 gewährleistet, sowie eine Überleitung der Flanschwärme auf die Abgaskrümmerwandung 2 verhindert.

Die Enden der Kühlschlangen 3 sind mit den Umlenkkappen 4 versehen, die nicht über den Umfang der äußeren Rohrwandung am Krümmereingang l4 hinausgehen. Dieses ist nach örtlichen, baulichen Erfordernissen bei Industrieöfen von besonderer Wichtigkeit. Die strömungsgünst.ige Umlenkung 17 des Kühlmittels in den Kühlschlangen 5 ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Insbesondere ist in Figur 5 die Aufdornung der Rohrenden 3 ersichtlich, wobei die berührenden Wandungen 15 etwa parallel nebeneinanderliegend verschweißt sind. Die so verschweißten Rohrenden werden dann mit einer Umlenkkappe 4 zu einer Kühlschlange 5 gleichen Strömungsquerschnitts l6 mit äußerst guten Strömungseigenschaften verschlossen.

Claims (2)

• τ J r r r a Schutzansprüche

1. Abgaskrümmer mit sektionsweiser Kühlung im Umfang des Abgasweges, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskrümmer (l) aus einzelnen, dem gewünschten Krümmungsradius entsprechend gebogenen, nebeneinander angeordneten und in Strömungsrichtung der Abgase

(8) verschweißten Rohrstücken besteht, wobei mindestens zwei benachbarte Rohre (3i3-) jeweils an einem Ende des Krümmungsradius zu Kühlschlangen (5) beliebiger Anzahl von Windungen verbunden sind, die unmittelbar am Ende des Krümmungsradius (l) an eine Zuleitung (6) und an eine Ableitung (?) eines Kühlmittels angeschlossen sind, wobei die einzelnen mit einem ununterbrochenen, eingestellten, bzw. regelbaren Kühlmittelstrom (17) beaufschlagbaren Kühlschlangen (5) von der Zuleitung (6) bis zur Ableitung (7) eines Kühlmittels einen gleichgroßen Strömungsquerschnitt (l6) aufweisen.

2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte Rohrenden (3t3..) einer gebildeten Kühlschlange (5) derart aufgedornt sind, daß die aneinanderliegenden Wandungen (15) beider Rohrenden auf eine Länge, die ca. dem Durchmesser eines Rohres entspricht, etwa parallel nebenainderliegend miteinander verschweißt sind und die beiden offenen Rohrenden unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Strömungsquerschnitts (l6) mittels einer entsprechend geformten Umlenkkappe (k) verschlossen und mit den Rohrenden (3) verschweißt sind.

3· Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskrümmer (l) mit einem kühlbaren Flansch (ll) versehen ist, der aus einer oder mehreren spiralförmig gebogenen Kühlschlangen (12) besteht.