-
Verfahren zum Beheizen von Heizkanälen, insbesondere von Flammrohren,
unter Verwendung von Einbaukörpern Die Hrfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen
von Heizkanälen, insbesondere von Flammrohren, unter der Verwendung von Einbaukörpern.
-
Solche Einbaukörper dienen aufgeheizt als Strahlungskörper. Nach der
Erfindung wird eine Verbesserung der bisherigen Anordnungen bezweckt, vor allem
hinsichtlich des Wärmeüberganges, der @ erkürzung der Anheizzeiten und der unerwünschten
Kondensation, ferner eine Verringerung der Abkühlung der Rohr- und Kanalwände bei
abgestellter Feuerung und damit der Stillstandsverluste.
-
Es ist bekannt, in Flammrohre und Heizkanäle von Kesseln, Boilern,
Ofen u. dgl. für die Beheizung mit festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen
feuerfeste Körper einzubauen, die von den Flammengasen um- oder durchströmt und
aufgeheizt werden und erhitzt als Strahlungskörper, zum Teil auch als Wärmespeicher
dienen. Die von den Flammengasen hocherhitzte Oberfläche der Einbaukörper beschleunigt
die Verbrennung der Gase und ermöglicht die vollkommene Oxydation der Brenngase
ohne Luftüberschuß. Bei den bekannten Bauarten sind nun die Einbaukörper entweder
ungeregelt, in zu kleiner oder zu großer Menge, oder auch geregelt derart angeordnet,
daß ein möglichst hoher Wärmeübergang durch Strahlung und ein geringer durch Leitung
und Konvektion herbeigeführt wird. Eine Wärmeübertragung durch Konvektion wird bei
bekannten Bauarten hauptsächlich erst in nachgeschalteten Heizgaszügen erreicht.
Die Aufheizung der Einbaukörper und der Wärmeübergang nur durch Strahlung bewirken
zwar im Beharrungszustand
eine hohe Wärmeleistung, haben aber lange
Ariheizzeiten und Wärmeverluste bei Stillstand zur Folge. Man ist hei diesen bekannten
Anordnungen Von der an sich richtigen Tatsache ausgegangen, claß durch Wärmestrahlung
wesentlich größere Wärmemengen übertragen werden können als durch Leitung und Konvektion.
Das erfordert aber, daß die Einbaukörper auf die für eine nennenswerte Wärmestrahlung
erforderlichen Temperaturen erhitzt werden, was wiederum entsprechend hohe Temperaturen
zur Voraussetzung hat. Der konvektive Wärmeübergang ist bekanntlich abhängig \-oti
der Gasgeschwindigkeit und steigt mit dieser. lief ungeregelt angeordneten Einbaukörpern
entsteht zwar eine an sich günstige Turbulenz der lleizgase, aber es treten große
Widerstände auf, @"-elclie zu unzulässig hohem Zugverlust führen. Außerdem besteht
bei kleinen Körpern die Gefahr des Zusammenfrittens der Einzelkörper und als Folge
hiervon Verkleinern und Absperren des Gasquerschnittes. Von erheblicher Bedeutung
ist ferner bei ungeregelten Einbauten oder auch geregelten Einbauten ohne zweckentsprechende
Gasführung die sog. Randgängigkeit des Gasstromes. Hauptnachteile der Randgängigkeit
sind: i. Eine geringe Wärmeleistung infolge zu großer Abkühlung der am Rande entlangziehenden
Stromfäden, a. Schwitzwasserbildung infolge Taupunktunterschreitung :in der kalten
Wand.
-
Diese Gefahr der Schwitzwasserbildung ist be-.onders groß bei Verwendung
von Brenngasen mit einem hohen Gehalt an Wasserdampf, wie sie bei <ler Verbrennung
vieler Frischgase, wie z. B. Generatorgas, Koksofengas, Wassergas usw.. ferner bei
grubenfeuchter Rohkohle und beim Verfeuern trockener Brennstoffe mittels eines Dampfinjektors
öder feuchter Verbrennungsluft sowie bei der Dampfstrahlzerstäubung eines Brennstoffes
entstehen. Besonders auffällig und nachteilig wird die Schwitzwasserbildung in Flammrohren
und Heizkanälen bei steigenden und fallenden Gaszügen in Ofen, Kesseln, Boilern
usw. Aus der Schwitzwasserbildung ergibt sich zwangsläufig eine erlielliehe Korrosionsgefahr.
-
Nach der Erfindung wird der Heizgasstrom in einen Hauptstrom und einen
Teilstrom aufgeteilt, wobei zunächst der Hauptstrom durch einen mittleren Hauptheizgaszug
und der Teilstrom durch einen äußeren ringförmigen Zug strömen und auf ihrem Wege
wiederholt miteinander vermischt werden. Das wird dadurch erreicht. daß die annähernd
den gesamten Heizkanal in seiner länge ausfüllenden Einbaukörper so ausgebildet
sind, daß ein mittlerer Hauptheizgaszug und ein enger, ringförmiger Heizgaszug gebildet
werden und Durchlässe von der Mitte nach außen sowie umgekehrt vorgesehen sind.
Der Heizgasstrom wird also zunächst einmal in zwei Gasströme unterteilt. einen Hauptstrom
und einen Teilstrom, die leide in gleicher Richtung nebeneinander strömen. Der Hauptstrom
durchzieht die Einbaukörper lzw. deren Hohlräume in bekannter Weise, die aufgeheizt
ihre Wärme durch Strahlung an die Heizflächen abgeben. Daneben überträgt der Teilstrom
seine Wärme durch Konvektion an die Heizflächen, was einen schnelleren @N':irineiil)ergang
bewirkt und kurze Anheizzeiten ermöglicht. Die Temperaturverhältnisse in solchen
Heizgaszügen sind nämlich derart, daß dem Wärmeübergang durch Konvektion tatsächlich
noch eine erhebliche Bedeutung zukommt. Die günstige Wirkung des Teilstromes wird
durch die auftretenden Eintrittswirbel und die hierdurch entstehende Turbulenz begünstigt.
Schon bei geringer Länge des Ringkanals wird nun der Teilstrom erheblich abgekühlt,
und es bildet sich bei kalter Heizfläche, z. B. Frischwasserspeisung eines Kessels,
Boilers usw., schnell Schwitzwasser. Das wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden,
da11 der abgezweigte Teilstrom nach kurzer Wegstrecke wieder in den Hauptstrom eingeführt
und hiernach ein neuer heißer Teilstrom an die lleizflächen zurückgeführt wird.
Dieses Einführen des Teilstromes in den Hauptstrorn und I-,iickfiiliren eines neuen
heißen Teilstromes an die Heizflachen kann je nach den vorliegenden Verhältnissen
wiederholt \-orgesehen werden. Der Wärmeinhalt der 11cizgase wird auf diese Weise
weitestgehend ausgenutzt und an die Heizflächen übertragen. Das Flammrohr oder der
Heizkanal kann daher sehr kurz gehalten werden. \1"erden im Gegensatz zur erfindungsgemäßen
Führung der Flammengase, beispielsweise bei durchgehender Anordnung gleicher Stahlkörper
oder vollkommener Trennung von Heizfläche und Gasstrom durch Schamotteeinbauten,
und damit durch Unterbinden eines konvektiven 1Värnieiilierganges, die Flammengase
nicht wiederholt an die 1leizfläche leerangeführt, so ist die spezifische Heizflächenleisturig
erheblich geringer, d. 1i. ein Flamnirolir oder Heizkanal inuß bedeutend länger
ausgeführt werden. Nach der Erfindung bleibt die Gastemperatur selbst Teei hohem
Wärmeentzug, z. B. bei kalten Heizflächen während des Anheizens, geniigend hoch
über dein Taupunkt, so claß kein Scliwitz\\ assei- auftritt. Zweckmäßig sind besondere
Führungs- und Uinlenkkörper vorgesehen, die das Aufteilen des Heizgasstronies in
einen Hauptstrom und einen Teilstrom, das Einführen des Teilstromes in den Ilauptstrom
und das .",1>zweigen eines neuen "Teilstromes an die Heizflächen begünstigen.
-
Die Anordnung ist ferner vorteilhaft so getroffen, daß die Durchl'isse
in den Einbaukörpern als drosselnde Kanäle ausgebildet sind. Durch diese Drosselstellen
wird bewirkt. daß die bei abgestellter Feuerung infolge haininwirkung die Heizgaszüge
noch durchstriiniende gei-itege# Luftmenge lediglich den Hauptstromweg durchzieht,
während die 1.tift im Teilstromweg stehenbleibt und damit eine Verminde rtiiig der
.\bküh@ungsverItiste bewirkt. Bei l-,till:taiiri, also abgeschalteter Feuerung,
tritt an Stelle einer großen Gasmenge mit Haupt- und Teilstrom und turbulenter Str<imung
nur ein Hauptstrom mit schwacher Luftmenge und vorwiegend laminarer Strömung. Der
"I'eilstromweg ist daim nicht beatifschlagt. Bei
stehenden Boilern
und Einzugskesseln bedeutet dies eine besondere Verbesserung bezüglich der sehr
nachteiligen _\uskühlung des Wasserinhaltes von der 1leizflächenseite her. Solche
Geräte verlieren bekanntlich trotz -bester Außenisolierung erhebliche Wärmemengen
im Stillstand. Nach der Erfindung sind jedoch die Heizflächen gegen den bei auftretender
Kaminwirkung immer durchgesaugten Luftstrom praktisch isoliert, da die Bierbei wie
in einer Art Kammer abgesperrte Luft des Teilstromes ruht und nur der Hauptstrom
das Innere der Führungskörper ohne Berühren der Ileizflächen durchzieht.
-
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an mehreren _\tisfiillrungslleispielen
veranschaulicht, und zwar all einem liegenden und einem stehenden Flammrolirkessel
sowie an einem stehenden Heißwasserkessel. , Mtb. t ist ein L:ingsschnitt durch
den liegenden l,' latritn rolir@kessel ; .\b1). 2 bis 5 zeigen Führungs- und Umlenkkörper
u diesem Kessel, und zwar zeigt .\llb. einen Führungskörper im Längsschnitt nach
der Linie 1I1-111 der Abb. 3; .\1i11.3 zeigt den gleichen r,iilirtuigslcörper im
Querschnitt ; :\)h.4 ist ein Schnitt durch den Ulillellkkörper stach der Linie V-V
der Abb. 5: :\bb. 5 zeigt den Unilenkkörper in Draufsicht: Abb.6 ist ein Längsschnitt
durch einen stehen-<ten Flaminrohrkessel; .\bli.; bis 12 zeigen l,iihrutigs-
und Umlenkkörper zu dein stehenden Flammrohrkessel in Ansicht, und zwar .Utb. 7,
9 und 1 1 in Absicht von der Seite und .[bat. 8, 10 und 12 in .\nsiclit von oben;
_Uib. 13 zeigt einen stehenden Heißwasserkessel ini Längsschnitt.
-
Der Flanimrohrke:sel stach .\1>1i. t besteht in bekannter Weise aus
<lern Flammrohr i und dem' Wasserbehälter 2. Das Ulatntnrohr wird durch die Gasbrenner
3 beheizt. denen das Gas durch die Leitung 4 zugeführt wird. Im Flammrohr sind feuerfeste
Körper eingebaut, die voll den Flammenasen erhitzt werden. Diese Einbaukörper bestellen
nach .-\b1). 2 bis S aus besonderen Führungs-und Uinlenkkörpern. Die Führungskörper
5 sind zylinderförmig ausgebildet und bestehen entweder aus einem 1-lohlkörper oder
aus mehreren ineinandergeschachtelten Holilzylinderti, die zwischen sich Hohlräume
frei lassen. Der äußere Zylinder 6 läßt zwischen sich und der Wand des Flammrohres
einen ringfö rmigetl Kanal 7 frei, der von einem "Peilstrom der Ileizgase durchströmt
wird, während der llauptstrom durch den Hohlraum oder die llolilriiunie des Fiillrtingskörpers
5 fließt. Hinter dein l,iilirungskörlier ;ist ein Umlenkkörper 8 angeOrdnet, der
aus einer Ringscheibe besteht und an der \\'atidfl:iclie des 1#lammrohres fest abliegt.
Die aus dein l#iilirungskiirl>er ; austretenden Heizgase. und -zwar sowohl der llauptstrom
als auch der Teilstroh. sind gezwungen, gemeinsam durch die ()tlnutig 9 der Ringscheibe
8 liitidurchzutreten, wobei der Teilstrom mit dem Hauptstrom vermischt, durchwirbelt
und aufgeheizt wird. Diesen Weg der Heizgase zeigen die eingezeichneten Pfeile.
Hinter diesem Umlenkkörper 8 ist ein zweiter Führungskörper io angeordnet, der in
der gleichen Weise wie der Führungskörper 5 ausgebildet ist. Die aus dem Umlen'kkörper
8 ausströmenden Heizgase werden durch diesen Führungskörper io wieder in zwei Teilströme
getrennt. Der Hauptstrom geht durch die Hohlräume i i dieses Führungskörpers io,
während der Teilstrom durch den zwischen der äußeren Wand des Führungskörpers io
und der I-Ieizfläche gebildeten Ringkanal 12 strömt. Hinter diesem Führungskörper
io ist eine weitere Ringscheibe 13 angeordnet, die in der gleichen Weise ausgebildet
ist wie die Ringscheibe8 Lind ebenso wie diese Ringscheibe das Umlenken und Vermischen
der Heizgase bewirkt.
-
Hinter dieser Ringscheibe 13 kann ein weiterer Führungskörper 14 angeordnet
sein, der in der U elchen Weise ausgebildet ist wie die vorher -
gehenden
Führungskörper 6 und io. !\n diesen Führungskörper 14 kann sich ein weiterer Umlenkkörper
15 anschließen und so fort, je nachdem, wie es die jeweils vorliegenden Verhältnisse
für die günstigste Wirkungsweise erfordern. Der notwendige Abstand zwischen den
Führungskörpern Lind Umlenkkörpern wird durch Abstandnasen 16 bewirkt, die an beiden
Seiten des Umlenkkörpers 8 bzw. 13 und 15 angebracht sind.
-
Der Aufbau beim stehenden Flammrolirkessel nach Abb.6 ist im wesentlichen
der gleiche wie bei dem vorstehend beschriebenen liegenden Flammrohrkessel. Der
Kessel besteht aus dem Flammrohr 17 und dem Wasserbehälter 18. Im Flammrohr
17 sind die \2on den Flammengasen erhitzten feuerfesten Körper eingebaut,
und zwar tvecliseln, wie im vorhergehenden 2\usführungsbeispiel, immer ein Führungskörper
i9 mit einem Umlerikkörper 2o ab, die hier eine ähnliche Wirkulig herbeiführen wie
vorher. Am unteren Ende des Kessels, also am Eintritt der Flammengase, ist ein besonderer
Abschlußkörper 21 vorgesehen, auf den zwei Führungskörper i9 folgen. Hierauf folgen,
miteinander ab-,vechselnd, immer ein Umlenkkörper 20 und ein Führungskörper i9.
Die Führungskörper i9 bewirken die Trennung der Heizgase in einen die Hohlräume
der Führungskörper i9 durchziehenden Hauptstrom und einen Teilstrom, der in dem
Ringkanal 22 zwischen dem äußeren Mantel der Führungskörper i9 und der Heizfläche
entlang strömt. Dieser Teilstrom wird durch die Umlenkkörper 20 jeweils nach der
Mitte zti abgelenkt und in den Hauptstrom zurückgeführt, finit diesem vermischt
und aufgeheizt, worauf der nachfolgende Führungskörper i9 den Heizgasstrom erneut
in einen Hauptstrom und einen Teilstrom trennt. Die in Abb. 6 eingezeichneten ['feile
zeigen diesen Weg des Heizgasstromes. Die Führungskörper icg bestehen in diesem
Falle aus einem Hohlzylinder, der an seinem äußeren Umfang mit längs verlaufenden
Rippen 23 versehen ist, die zwischen l,. iilirtttigskörller i g und Reizfläche einett
den
Ringkanal 22 für den Teilstrom bildenden Abstand halten. Die Umlenkkörper 20 sind
Ringscheiben mit Querrippen 24, die das Durchwirbeln und Vermischen des Hauptstromes
mit dem Teilstrom begünstigen. Der Durchmesser des äußeren Mantels der Führungskörper
i9 ist kleiner als der Durchmesser des inneren Ringes der Umlenkkörper 2o, damit
der Teilstrom aus dem Ringkanal in den Umlenkkörper und aus diesem ein neuer Teilstrom
wieder in den nachfolgenden Ringkanal strömen kann. Der Abschlußkörper 21, der die
weiteren Führungs- und Umlenkkörper trägt, wird durch in eine Ringnut 25 eingreifende
Halter 26 gehalten.
-
Der stehende Heißwasserkessel nach Abb. 13 besteht aus einem Wasserbehälter
26, in den zwei Heizkanäle bzw. Heizrohre 27 und 28 hineinragen, die im Innern in
der gleichen Weise mit Führungskörpern und Umlenkkörpern versehen, sind, wie vorher
für die Ausbildung der Flammrohrkessel bereits beschrieben wurde. Auch die Wirkungsweise
und die Führung der Heizgase durch diese Führungs- und Umlenkkörper ist die gleiche
wie bei den Flammrohrkesseln. Die Heizrohre 27 und 28 können mit Druckgas oder
01 beheizt werden, das dem Brenner 29 durch die Leitung 30 zugeführt wird.
Die Heizgase treten aus dem Brenner in den Kanal 31 und gelangen von diesem in die
mit den Führungs- und Umlenkkörpern versehenen Heizrohre 27 und 28.
-
Das Unterteilen der Heizgase @ in einen Hauptstrom und einen Teilstrom
mittels der Führungskörper und Umlenkkörper nach der Erfindung hat die Wirkung,
daß der Hauptstrom während des Betriej)es die Einbaukörper erhitzt, die ihre \Värme
dann durch Strahlung an die Heizflächen abgeben. Der Teilstrom dagegen strömt innerhalb
des Ringkanals an den Heizflächen entlang und gibt seine Wärme durch Konvektion
ab. Da der Teilstrom hierbei schneller abkühlt als der Hauptstrom, wird er mit diesem
wiederholt vereinigt, vermischt und auf diese Weise aufgeheizt, so daß die Temperatur
des Teilstromes den Taupunkt nicht unterschreiten und damit auch keine Schwitzwasserbildung
eintreten kann. Beim Anheizen bewirkt der Teilstrom einen sofortigen Wärmeübergang
durch Konvektion an die Heizflächen, so daß die Anheizzeit verkürzt wird. Bei Stillstand
des Kessels findet im Ringkanal keine nennenswerte Gas- bzw. 1_uftliewegung statt,
während die Strömung innerhalb der 1:itibaukörper nur sehr schwach ist. Hierdurch
wird das Abkühlen des Kesselsinhaltes außerordentlich verlangsamt.
-
Die eingebauten feuerfesten Körper sind zur Verringerung der aufzuheizenden
Masse möglichst dünnwandig ausgeführt. Das hat den Vorteil. daß die Körper schneller
ihre Wärme an die Heizflächen abgeben; außerdem wird die Anheizzeit verkürzt. Ebenso
sind die Wärmeverluste beim Abschalten des Kessels kleiner, da die in den Einbaukörpern
steckende Restwärme geringer ist. In der gleichen Richtung wirkt die Verwendung
von Körpern aus hochtemperaturbeständigen leichten Stoffen, wie z. B. magnesiahaltige
Erden, oder von solchen Körpern, bei denen durch das Herstellungsverfahren eine
Porosität erzielt wird. wie z. B. hei Leichtschamotte oder Schaunischaniotte. Leichtschamotte
wird beispielsweise dadurch hergestellt, daß brennbare Stoffe, wie Sägemehl oder
Koksgrus, unter die Schaniotteniasse gemischt werden. Diese Bestandteile brennen
beim Brennprozeß heraus und hinterlassen Hohlräume. Schaumschamotte wird dadurch
gewonnen, claß schaunihildende Mittel der Schainottemasse zugesetzt «-erden. Durch
die im Schaum enthaltenen feinen Hohlräume erhält der Schaumschamotte eine geringere
Masse. Um ferner bei dünnen Wandstärken, gegebenenfalls in Verbindung mit Leicht-
oder Schaumschamotte. noch eine genügende Festigkeit zu erreichen und die Einbaukörper
gegen Höchsttemperaturen widerstandsfähig zu machen, werden vorteilhaft seltene
Erden beigemischt, wie z. 13. Thor und Cer.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist im übrigen nicht auf die beschriebenen
und dargestellten Ausführungsbeispiele beschr'inkt. l@.s sind im Rahmen der Erfindung
durchaus noch weitere :\l)w-andlungen möglich.