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Kreuzstrom-Gegenstrom-Wärmeaustauscher Der Gegenstand der Erfindung
bezieht sich auf einen Kreuzstrom-Gegenstrom-Wärmeaustauscher (-Rekuperator) aus
rohrförmigen Hohlsteinen und plattenförmigen Lochsteinen, die ein Bündel zueinander
paralleler Kanäle für den Strom des einen bzw. Leitwände für die zickzackförmige
Bann des Stromes des anderen wärmeaustauschenden Mittels bilden, mit innerhalb des
Querschnittes des Kanalbündels in den Leitwänden angeordneten Durchlässen für den
in zickzackförmiger Bahn geführten Strom. Bei einem derartigen Wärmeaustauscher
bekannter Bauart muß das zweite Mittel beire Über-,gang von einem Parallelzug in
den nächsten um iäo° in der Richtung umkehren und dabei ein kurzes Stück parallel
den Röhren, aber im Gegenstrom, laufen. Vielfach wird die Umkehr der Kreuzstromzüge
außerhalb des von Formsteinen erfüllten Raumes vorgenommen. Dies vergrößert erheblich
die Ausdehnung in der Richtung der Kreuzströme, was nicht nur Mauerwerk und Platz
kostet, sondern auch die Wandwärmeverluste vermehrt. Eine bekannte Bauweise läßt
die Umkehr des zweiten Mediums innerhalb des von Formsteinen erfüllten Rekuperatorraumes
selbst erfolgen, indem an den Umkehrstellen die Trennschicht zwischen den Kreuzstromzügen
in geeigneter Weise durchbrochen wird. Eine im Betrieb bewährte Ausführungsform
besteht dabei im wesentlichen aus drei Formsteinen; da die Rohrstücke mit ihren
Zwischenstücken zu senkrechten Säulen zusammengebaut sind, ergeben sich nur waagerechte
Fugen,
die -unter-dem Druck der senkrecht übereinanderstehenden
Rohrstücke bei Feuerschwindung der Baustoffe oder Nachgeben derFugendichtung durch
ihr eigenes Gewicht zusammengepreßt werden, dies bei geeigneter Bauart auch ungehindert
tun können und so dicht bleiben.
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Ein solcher bekannter Rekuperator bei Führung der Rauchgase durch
senkrechte Röhren setzt sich zusammen aus senkrechten Rohrstücken sowie aus waagerechten
Trennzwischenstücken und Gittersteinen zwischen den Rohrstücken. Die Zwischenstücke
grenzen die waagerechten Züge des im Zickzack nach oben oder unten um die Rohrstücke
herumgeführten Mittels voneinander ab. Ein Gitterstein tritt an die Stelle eines
Trennstückes lief der senkrechten. Umkehr der horizontalen Züge. Zwischenstücke
und Gittersteine haben einen Durchlaß in ihrer Mitte für die Rohrstücke.
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Bei dem beschriebenen bekannten Wärmetauscher ist ein Mißstand, daß
bei hinreichendem Durchlaßquerschn.itt der Gittersteine und bei. hinreichender Stärke
des Materials die Röhren einen solchen Abstand voneinander haben müssen, daß dadurch.ein
sehr ungünstiges Verhältnis der beiden Medien entsteht. Ohne unzulässige Drosselung
des Umkehrquerschnittes kann man den Röhreninhalt im Verhältnis zum Umgebungsraum
der Röhren nicht größer machen als im Verhältnis i :.3,6. Dies ist zu verantworten,
sofern die Röhren der Lufterwärmung dienen und der Umgebungsraum für die heißen
Abgase benutzt wird, da bei Generatorgas das Verhältnis Luft zu Rauchgas wie 1 ::2,6
sein kann. Bei dieser Fahrweise ist aber die Verstopfungsgefahr der engen Gitterdurchlässe
durch mitgeführten Flugstaub der Rauchgase besonders groß, die Reinigungsmaßnahmen
schwierig und die Gittersteine gefährdend.
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Schon aus Gründen der Reinigung wie auch häufig für die gesamte Bauweise
bat es Vorteile, die Abgase durch. die senkrechten Röhren zu leiten. Dann führt
aber das Mißverhältnis des Rauchgasraumes, der bei einem Viertel der Größe des Luftraumes
etwa das zweieinhalbfache Rauchgasvolumen führen muß (bei Berücksichtigung der wirklichen
mittleren Temperaturen), zu einer unverhältnismäßigen Aufblähung des für eine bestimmte
Heizfläche notwendigen mit Formsteinen ausgesetzten Rekuperatörgesamtraumes.
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Das übliche-Verhältnis vom Rauchgasraum zu dem der Luft ist i : o,66;
es sollte aber höchstens i : i sein, besonders, wenn der Wärmeaustauscher für verschiedene
Ofensysteme einmal mit der Luft, einmal mit den Rauchgasen in den Rühren betrieben
werden soll. Es ist aber bei dem geschilderten bekannten Rekuperator nicht ohne
weiteres möglich, den Luftraum, d. h. den Umgebungsraum der Röhren zu verkleinern
durch Verringerung des Röhrenabstandes. Denn bei den Gittersteinen würde diese Verkleinerung
zunächst ausschließlich den freien Durchlaßquerschnitt vermindern, der schnell unerträglich
klein, j a Null wird, ohne daß das obengenannte Raumverhältnis wesentlich günstiger
würde als etwa 1 : 3. Diese Schwierigkeit be'heb't die hier beschriebene Erfindung,
indem die die Durchlaßquerschnitte durchdringenden, jeweils den doppelten Abstand
zweier Leitwände überbrückenden Kanallängsabsohnitte von je einem einzigen ungeteilten
rohrförmigen Hohlstein gebildet werden und daß die Breite der Zwischenräume zwischen
je zwei benachbarten Kanälen gleich oder kleiner als der halbe Durchmesser bzw.
die- !halbe Kantenlänge der Kanäle ist. Auf diese Weise wird der Durchtrittsquerschnitt
von einem Kreuzstromzug in den nächsten nur bestimmt durch den Rohrabstand selbst;
es .gibt kein hinderndes Formsteinstück an dieser Stelle mehr, und der gefährliche
Widerstand an der Umkehr- wird auf einen Bruchteil verringert. Vor allem wird durch
die engere Rohranordnung die Heizfläche- erheblich vermehrt, ein grundlegender Vorteil,
der für sich spricht.
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Die Verminderung des Umkehrwiderstandes ist wichtig, weil beim Formsteinrekuperator
der überdruck des' einen Mediums (meistens: Luft) gegen den Unterdruck des andern
(meistens Rauchgase) möglichst niedrig gehalten werden soll. Wird die Luft.irn Kreuzstrom
geführt, so soll also der für die Förderung der Luft nötige Druck nicht unnötig
durch Querschnittsverengung und durch Gittersteine, die sich dem Strom ohne Nutzen
hindernd in den Weg stellen, vermehrt werden.
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Abb. i stellt einen gemäß der Erfindung aus Formsteinen ;gebauten
Wärmetauscher vor, bei dem die Rauchgase durch die senkrechten Feuerzüge nach unten
gehen, während die Luft absatzweise und im Zickzack einen Kreuzstromweg von unten
nach oben läuft. In Abb. i bedeutet 7 das doppelt lange Rohrstück, das zwei Rohrelemente
und ein zwischengebautes Gitterstück ersetzt. Die Umkehrstelle 8 der waagerechten
Luftzüge g ist, wie ersichtlioh, durch keinen zwischengeschalteten Stein eingeengt.
An .einem Zahlenbeispiel aus dem Betrieb sei der technische Fortschritt erläutert,
der in Verwendung dieses neuen widerstandsarmen Umkehrsystems besteht.
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Bei dem Reküperator der beschriebenen bekannten Art haben die Trennstücke
bzw. Gittersteine 300 mm Kantenlänge, die Höhe der Röhren ist 325
mm, ihr Querschnitt beträgt 170 mm im Geviert. Von diesen Röhrenelementen lassen
sich 34 Stück im Kubikmeter Rekuperatorraum zusammenbauen. Die Röhren enthalten
einen Abgasraum von o,187 im Raummeter. Der umgebende Luftraum beträgt o,5ao cbm,
was dem Verhältnis von 1:3,6 entspricht. Abgase aus Steinkohlenmischgas mit 15 %
Luftüberschuß und einer mittlerenAbgastemperatur von 75o° haben eineAufenthaltszeit
in dem ihnen zur Verfügung stehenden Raum gegenüber der vorzuwärmenden Verbrennungsluft
von 5oo° Mitteltemperatur von etwa 1:7, was von den Bestbedingungen stark abweicht
und erhebliche Überdimensionierung des Gesamtraumes des Wärmetauschers bedingt.
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Wenn beim neuen Rekuperator die Kantenstücke der Formstücke :2 auf
nur 25o mm vermindert werden, bedeutet dies eine Vermehrung auf vierzig
gleich
große Rohrstücke im Raum. Das Verhältnis der Räume _für Abgas und Luft wird dementsprechend
1: 1,3 und das Verhältnis der Aufenthaltszeiten von Abgas zur Luft unter sonst gleichen
Bedingungen 1:2,5, also um ein Mehrfaches, verbessert.
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Beim erstgenannten Rekuperator stand für die Querschnittseinheit der
Luft nur ein Umkehrquerschnitt von o,9 zur Verfügung, während nunmehr trotz der
Verringerung des Röhrenabstandes auf etwa die Hälfte für die Einheit des Luftquerschnittes
1,7 Umkehrquerschnitt zur Verfügung steht, so daß die Umkehr praktisch ohne merklichen.
Stau erfolgt (eine geringe Stauung ist erwünscht zur Vergleichsmäßigung der Luftverteilung).
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Dabei geht der Rohrabstand von 13o auf 8o mm zurück, sofern das Rohr
von quadratischem Querschnitt 170 mm Kantenlänge hat.
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Das wesentliche aber ist dabei, daß entsprechend der größeren Dichte,
mit der man nun wegen der oraktisch ungehinderten Umkehr die Röhren anordnen kann,
im gleichen Maße die Heizfläche und damit die Leistung des Wärmetauschers ganz erheblich
gesteigert wird. Beim genannten Zahlenbeispiel beträgt diese Vermehrung
Da praktisch noch eine weitere Verengung des Rohrabstandes erlaubt ist, so kann
die spezifische Heizflächenvermehrung auf 6o °/o und mehr getrieben werden.
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Soll die hochvorgewärmte Luft in den .letzten Kreuzstromzügen eine:
gewisse Strömungsgeschwindigkeit nicht überschreiten und ist es für diesen Fall
erwünscht, zwei Züge parallel zu schalten, so kann die Umkehr dieses größeren Luftvolumens
entweder mit längeren Rohrstücken in gleicher Weise oder für diesen Ausnahmefall
in einfacher Weise erfolgen durch Vergrößern des Umkehrquerschnittes mit Hilfe von
Nischen in der Wand an der Umkehrstelle. Diese Nischen io kann man, wie es in Abb:2
im Längsschnitt dargestellt ist, aus Normalsteinen bauen oder besser aus einem Formstein
machen, der zweckmäßig aus schlecht wärmeleitendem Stoff, z.B. poröser Chamotte,
hergestellt ist.
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Der Umkehrquerschnitt kann gegebenenfalls auch noch durch andere Mittel
vergrößert werden. Ein besonders geeignetes besteht darin, daß, wie in Abb. 3 a
und 3 b. für einen Teilquerschnitt beispielsweise dargestellt, dem Trennstein 2
eine Form gegelben wird, die im Grundriß und in der Strömungsrichtung spitz ausläuft.
Dadurch entstehen an den Wänden Zwickel, die entweder als Öffnungen i i für den
Umkehrstrom dienen oder mit Füllsteinen 12 ausgesetzt werden.
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Als Beispiel zeigt Abb. 3 a für den Trennformstein 2 einen sechseckigen
wabenförmigen Grundriß mit Röhren von rundem Querschnitt. In Abb-. 3 b ist eine
@besonders einfache und günstige Ausführungsform gewählt, die man erhält, indem
man einen Trennformstein 2 von quadratischem Grundriß unter q.5°' ,diagonal zur
Strömungsrichtung anordnet. Dadurch ,erhalten die Durchlässe i i die halbe Größe
des Flächenquadrates von Formstein 2.
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In den Längsschnitten Abb.2 und 3 bedeuten 13 bis 14 die Führung der
Rauchgase und 15 bis 16 die Führung der Luft.
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Die värteilhafte Anwendung einer derartigen Verbindung von freien
Umkehrquerschnitten nach dem Muster 3 a oder 3 b in Verbindung mit dem Röhrenformstein
7 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt die Abb.4,die den schematischen, Längsschnitt
durch einen solchen Wärmetauscher vorstellt.