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Strahlungswärmeaustauscher für Gase oder Dämpfe Gegenstand der Erfindung
bildet ein neuer und besonders vorteilhafter Strahlungswärmeaustauscher zum mittelbaren
Erwärmen von strömenden Gasen oder Dämpfen durch Strahlen einer Wärmequelle, deren
Temperatur hoch gehalten werden kann, und zwar sogar höher als ein für die wärmeübertragende
Fläche schädlicher Wert, beispielsweise über iooo° C.
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Eine bisher bekannte Ausführungsform eines Strahlungswärmeaustauschers,
deren Verbesserung vorliegende Erfindung betnifft, besteht aus einer Anzahl von
im wesentlichen lotrechten, zwischen einem oberen und einem unteren Verteilüngs-
oder Sammelkasten parallel geschalteten; in einer Strahlungskammer eines lotrechten
Schachtes an, geordneten Rohren für das zu erwärmende Gas.
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Es ist nun der Zweck der Erfindung, solch einen Wärmeaustauscher vorzusehen,
der nicht nur verhältnismäßig leicht und wirtschaftlich aufgebaut werden sondern
auch hohe Temperaturen des abziehenden erwärmten Mittels bewältigen kann, die in
der Nähe derjenigen Temperatur liegen, bei der die Heizfläche oder deren Werkstoff
bei bisher bekannten Wärmeaustauschern beschädigt würden. So ist es erfindungsgemäß
praktisch möglich, .beispielsweise mit einem Gas mit einer Temperatur
von
i5oo° ein anderes Gas auf 95o° C bei einem Werkstoff der Heizfläche zu erwärmen,
dessen Zunderbildun@gstemperatur bei iooo° C liegt. Die Erfindung ermöglicht eine
wirtschaftliche Ausnutzung einerseits des Temperaturunterschiedes, der zwischen
dtrn erwärmenden .und dem kühlenden Mittel aufrechterhalten werden kann, und andererseits
der Eigenschaften des Werkstoffes, der für die Heizfläche zur Verfügung steht.
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Der erfindungsgemäße Strahlungswärmeaustauscher läßt diese beträchtlichen
Vorteile dadurch erreichen, daß der Schacht mit an j e einem Ende seines Innenraumes
angeordneten Zu- und Abfuhrorganen für das Heizgas ausgestattet ist, ferner daß
die mit Abstand voneinander angeordneten Rohre den Innenraum in Form eines einzigen
Ringes. umschließen, und: somit die Kästen und die Rohre einen herausnehmbaren Rohrkorb
bilden, der, nur am oberen Kasten unterstützt, derart frei im Schacht herabhängt,
daß der ganze Korb sich in der Strahlungskammer befindet und die Rohre auf ihrer
ganzen Länge von dem den freien Innenraum durchströmenden Heizgas unmittelbar bestrahlt
werden, wobei das obere Ende. des Schachtes mit einem abnehmbaren, einen Durchlaß
für das Heizgas enthaltenden; Schachtkopf abgedeckt ist.
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Es ist zu bemerken, daß diese Vorrichtung sich durch eine augenfällige
Symmetrie im Aufbau: auszeichnet. Durch den parallelen Fluß des zu erwärmenden Mittels
in den Rohren werden diese Rohre den thermischen Beanspruchungen gleichmäßig ausgesetzt.
Die heißesten Teile der Wärmequelle kommen nicht in unmittelbare Berührung mit der
Heizfläche, sondern werden vielmehr durch Strahlung auf einen sehr großen Teil der
Heizfläche abgekühlt. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Rohre im Schacht
in der Weise angeordnet sind, daß sie praktisch auf ihrer ganzen Länge der Bestrahlung
durch das Heizgas ausgesetzt sind, was dadurch erleichtert werden kann, daß die
Rohre kürzer sind als das Dreifache des Durchmessers .des Rohrkorbes, wodurch die
Symmetrie der Strahlungsverhältniisse erhöht wird. Durch diese Maßnahmen erhält
man eine Verteilungswirkung hinsichtlich der ausgestrahlten und Gleichmäßigkeit
hinsichtlich der aufgenommenen Wärme, die bei bisher .bekannten Wärmeaustauschern
nicht wirksam ausgenutzt wurde.
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Weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind
in der untenstebernde-n Zeichnungsbeschreibung angegeberii und eingehend erläutert.
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Durch die angegebene besondere Bauart des vorliegenden Wärmeaustauschers
ist die Temperatur der verschiedenen Teile der Heizfläche mehr durch die durch die
Wärmequelle zugeführte gesamte Wärmemenge als durch die Temperatur verschiedener
Teile der Strahlungsquelle bestimmt, was für das Aufwärmen von Gasen oder Dämpfen
mit Hilfe eines Heizgases von einer über der für die Wärmeübertragun@gsfläche schädlichen.
Temperatur liegenden Temperatur von Bedeutung ist. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher
ermöglicht es nämlich, daß die Temperatur der Rohre in ihren sämtlichen hinsichtlich
der Wärmeübertragung. in Betracht kommenden Teilen, durch Regelung zumindest eines
der folgenden Faktoren: a) Strönigeschwindigkeit des Heizgases; b) Strömgeschwindigkeit
des: aufzuwärmenden Gases; c) Strömrichtung des Heizgases und d) Strömrichtung des
aufzuwärmenden Gases, auf einer so gleichmäßigen Temperatur gehalten werden kann,
daß dieselbe von der Durchschnittstemperatur .mit weniger als azo 1/o, vorzugsweise-
mit weniger als 151/o oder gar io1/o der Eintrittstemperatur dies Heizgases abweicht.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Temperatur der Rohraußenfläche durch Begrenzung
der in der Zeiteinheit mittels des Heizgases zugeführten Wärmemenge - dem Wesen
nach unabhängig von der Temperatur des Heizgases bzw. von den in dieser Temperatur
auftretenden Schwankungen - unter. einer für-das Rohrmaterial. sohädlichenTemperaturgehaltenwird.
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Die, Größe der Abweichungen hängt hauptsächlich vom Grad der Erwärmung
des zu heizenden Mittels und der Abkühlung des Heizmittels ab. Oft kann man gerade
beim Betrieb mit den höchsten zulässigen Temperaturen der Heizfläche die
Ab-
weichungen sehr gering halten, z. B. unter 2 bis 51/0.
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In einem auf diese Weise mit verhältnismäßig gleichmäßig verteilter
Strahlung arbeitenden Gaserhitzer ist die Temperatur der Heizfläche unter sonst
gleichen Verhältnissen ziemlich unempfindlich gegen Erhöhungen der Temperatur der
Wärmequelle und im wesentlichen nur von der zugeführten Wärmemenge abhängig.
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In der Zeichnung ist ein Wärmeaustauscher der erfindungsgemäßen Art
in einer beispielsweisen Ausführungsform dargestellt.
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Fig. i. zeigt einen Strahlungswärmeaustauscher gemäß der Erfifirtlung
im lotrechten Schnitt, Fig. a im Querschnitt und Fig. 3 einen Ausdehnungsteil.
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;Der dargestellte Wärmeaustauscher besteht aus einem zylindrische?.
Schacht mit Wänden 7 aus feuerfestem Stoff. Die Wände sind zweckmäßig aus verschiedenen
Schichten aufgebaut, z. B. von innen gerechnet aus feuerfesten Ziegeln, Schamottemörtel,
Steinwolle und aus einem äußeren Mantel aus Eisenblech. Der Schacht ruht auf einer
Unterlage B. Am oberen Teil des Schachfes ruht ein ringförmiger Kasten io,.von dessen
Boden eine Anzahl von dem Wesen nach geraden Rohren 6 frei herabhängen und zwischen.
sich einen freien Raum 2ö bilden. Aus Fig. i geht hervor, da.ß die den oberen Kasten
io tragenden Mittel so ausgebildet und angeordnet sind, daß zwischen diesem oberen
Kasten io und der Schachtwandung ein luftdichtes Anliegen zustande kommt. Diese
Rohre münden in eine untere Tasche i i, die im wesentlichen- nur von den Rohren
6 getragen -wird. Zwischen den Rohren. ist ein Abstand vorhanden, der etwa einen
halben bis zwei Rohrdurchmesser, beispielsweise einen Rohrdurchmesser beträgt. Es
ist nämlich für eine gleichmäßige Bestrahlung der
Rohre wichtig,
daß diese auch an den Rückseiten bestrahlt werden, was durch eine lichte Anordnung
der Rohre ermöglicht wird, da die Ofenwände dadurch einer unmittelbaren Bestrahlung
durch die Wärmequelle ausgesetzt werden und eine so hohe Temperatur erhalten, daß
sie ihrerseits die Rückseiten der Rohre wirksam bestrahlen können. Insbesondere
mit Rücksicht darauf, daß der gesamte Rohrsatz mit den Verteiler- und Sammelkasten
als Einheit herausgehoben werden kann, verjüngt sich der Rohrsatz nach unten. Zu
diesem Zweck ist es vorteilhaft, daß sowohl der Durchmesser des Röhrringes als auch
der des unteren Kastens i i kleiner als der Innendurchmesser des die Rohre 6 und
den unteren Kasten i i umgebenden Schachtteiles ist, wobei selbstverständlich der
Durchmesser des oberen Kastens größer sein kann. Zweckmäßig befinden sich die Rohre
in einem Abstand von i bis 2 dm von der oberen und i bis q. dm von der unteren Ofenwand.
Dadurch wird ein Hineinsetzen bzw. eine Herausnahme des ganzen Rohrsatzes erleichtert,
was beispielsweise von Wichtigkeit sein kann, wenn man beim Aufbau des Wärmeaustauschers
den an einem anderen Ort angefertigten Rohrsatz in den aufgemauerten Schacht versenken
soll bzw. ihn hei Reparaturen herausnehmen will.
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Der obere Kasten io ist mit einem Gaseinlaß 13
versehen, während
der untere Kasten i i durch eine Leitung 14 über einen Ausdehnungsteil 16 mit dem
Gasausläß 15 in Verbindung steht. Zwecks Vermeidung von einseitigen Beanspruchungen
bei der Bewegung der Rohre 6 infolge von Wärmeausdehnungen können mehrere, vorzugsweise
symmetrisch angeordnete Leitungen 1q. mit Ausdehnungsteilen 16 angeordnet sein.
Der Ausdehnungsteil kann vorteilhaft als eine Art von Flüssigkeitsverschluß ausgebildet
sein, wobei die Flüssigkeit aus einem bei Arbeitstemperatur flüssigen, aber im wesentlichen
nicht flüchtigen Mittel besteht, z. B. aus Blei, einer Bleilegierung, Typenmetall
od. dgl. In Fig. 3 ist eine derartige Ausführung dargestellt. Das Rohr 2r, das bei
großen Anlagen einen Durchmesser von mehr als o,5 m haben kann, ist an den Sammelkasten
i i angeschlossen und taucht in den ringförmigen. Behälter 23 ein, der am oberen
Teil des Auslaßrohres 22 befestigt ist.
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Der Schacht ist oben durch einen zu einer Gasdüse ausgebildeten oder
einen Gasleinlaß 2 enthaltenden Kopf i2 begrenzt, der am oberen Kasten io, vorzugsweise
luftdicht, anliegt und entweder durch sein Gewicht oder mit Hilfe besonderer Mittel
festgehalten wird, so daß er als eine Einheit vom Schacht abgehoben werden kann
und zumindest mittelbar von der Schachtwandung getragen wird. Obwohl irgendein geeignetes
Heizgas verwendet werden kann, ist der Wärmeaustauscher mit einem oben angeordneten
Brenner versehen. Zu diesem Zweck sind im Kopf i2 Anschlüsse 3 und q. für Verbrennungsgas
und Verbrennungsluft vorgesehen, die durch den Kanal 2 in den Strahlungsraum i im
oberen Teil des Schachtes geleitet werden, wobei der Brenner so ausgebildet und
angeordnet ist, daß die Verbrennung dem Wesen nach abgeschlossen ist, bevor das
Gas die erwähnte Kammer verläßt. In diesem Falle befinden sich die Rohre 6 ganz
im Strahlungsraum. Unten im Schacht ragt ein mittlerer Gasauslaß 9 ein, der den
unteren Kasten i i gegen die heißen Gase schützt und zum Auslaß 5 führt.
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Damit die Vorrichtung den starken Beanspruchungen durch die hohen
Temperaturen und großen Temperaturschwankungen standhalten kann, sollen wenigstens
die einer unmittelbaren Strahlung von der Strahlungsquelle ausgesetzten Teile, vor
allem die Gasleitungen zur Strahlungsquelle, gleichmäßige und symmetrische Formen
ohne scharfe Ecken und Kanten aufweisen. Die Anschlüsse an die Kästen io und i i
können ebenfalls vor unmittelbarer Bestrahlung geschützt werden, und zwar durch
Abschirmung oder Isolierung, -z. B. mit Asbest oder auf andere Weise. In der abgebildeten
Ausführungsform geschieht dies dadurch, daß der äußere peripherische Teil des oberen
Kastens io über einen Teil 7 der Schachtwandung hinausragt und gegen Bestrahlung
durch denselben abgeschirmt ist, wobei dieser Teil ? zweckmäßig so ausgebildet ist,
daß er eine Tragfläche für den Kasten io bildet. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft,
daß der obere Kasten io mit einem flachen Böden ausgestattet ist und die Rohre 6
im inneren peripheris.chen Teil dieses Bodens: befestigt sind. Da die kräftigste
Strahlung von den mit i bezeichneten Teil des Schachtes ausgeht, der unmittelbar
unterhalb des Gaseinlasses 2 ausgeht, sowie von den angrenzenden Flächen des Ofenkopfes,
sind die oberen Teile des Rohrsatzes der stärksten Beanspruchung ausgesetzt, weshalb
es besonders wichtig ist, die oberen Teile des Gasleitungssystems richtig auszubilden
und gegebenenfalls gut zu schützen. Dies erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel
durch geeignete Ausbildung des Ofenkopfes, der herabragende Teile 17 aufweist,
welche die Kästen io abschirmen. Außerdem können die oberen Teile dadurch geschützt
werden, daß das zu erwärmende Gas oben, d. h. im Verteilerkasten io, eingeführt
wird und unten durch den Sammelkasten i i abgeht. Dadurch wird die Temperatur der
oberen Röhrteile geringer gehalten als bei entgegengesetzter Gasrichtung, was sehr
wichtig ist, da ja der Rohrsatz frei hängend angeordnet ist und die Festigkeit der
Rohre mit steigender Temperatur abnimmt. Zur Beschleunigung der Übertragung der
Wärme der Rohrwände auf die die Rohre durchströmenden Gase können in den Rohren
Einsätze 18, i9 zur Vergrößerung der Strahlungsflächen angeordnet werden.
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Bei einer plötzlichen Unterbrechung des Gasstromes durch die Rohre
6 entsteht die Gefahr, daß diese Rohre, auch wenn die Strahlungsquelle beispielsweise
durch selbsttätiges Schließen der Gasleitung 3 bzw. des Lufteinlasses q. ausgeschaltet
wird, durch im Ofen, insbesondere in den Wänden 7 aufgespeicherte Wärme von höherer
Temperatur als die Rohre unzulässig hoch beansprucht werden. Es ist daher zweckmäßig,
den Ofen aus einem Baustoff mit geringer Wärmekapazität
herzustellen,
so daß die zu einem gewissen Zeitpunkt, beispielsweise bei plötzlicher Unterbrechung
der Gaszufuhr, vorhandene Mischtemperatur nicht die für die Haltbarkeit des Ofens
kritische Temperatur übersteigt.
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Häufig ist es vorteilhaft, - die zu erwärmenden Gase vorzuwärmen,
ehe sie dem -Ofen zugeführt werden, und es kann daher der Gaseinlaß 1-3 bzw. 15
mit einem Gasvorwärmer verbunden sein, in dem die Vorwärmung zweckmäßig durch Abgase
aus dem Ofen selbst erfolgt. Der Vorwärmer..ist dabei auch mit dem Gasauslaß 5 verbunden.