EP0518880A1 - Vorrichtung zur indirekten beheizung von fluiden. - Google Patents

Vorrichtung zur indirekten beheizung von fluiden.

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EP0518880A1
EP0518880A1 EP91904137A EP91904137A EP0518880A1 EP 0518880 A1 EP0518880 A1 EP 0518880A1 EP 91904137 A EP91904137 A EP 91904137A EP 91904137 A EP91904137 A EP 91904137A EP 0518880 A1 EP0518880 A1 EP 0518880A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
coil
pipe
longitudinal ribs
radiators
Prior art date
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Granted
Application number
EP91904137A
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English (en)
French (fr)
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EP0518880B1 (de
Inventor
Quintiliano Valenti
Francesco Giacobbe
Raffaele Villante
Maurizio Bezzeccheri
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vodafone GmbH
Technip Holding Benelux BV
Original Assignee
Mannesmann AG
KTI Group BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann AG, KTI Group BV filed Critical Mannesmann AG
Publication of EP0518880A1 publication Critical patent/EP0518880A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0518880B1 publication Critical patent/EP0518880B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0477—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits being bent in a serpentine or zig-zag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/14—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • F28F21/045—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone for domestic or space-heating systems

Definitions

  • the invention relates to a device for the indirect heating of fluids according to the preamble of patent claim 1.
  • Devices of this type are required, in particular, for carrying out high-temperature processes, such as are frequently encountered in petroleum processing and in petrochemicals.
  • the fluid to be heated is required, in particular, for carrying out high-temperature processes, such as are frequently encountered in petroleum processing and in petrochemicals.
  • liquid or gaseous hydrocarbons or a hydrocarbon / steam mixture is usually in
  • Heat exchanger tubes are led through a boiler room and heated through the tube wall of the heat exchanger tubes without coming into direct contact with the heating medium.
  • the heat transfer to the pipe wall mostly takes place mainly through heat radiation, which emanates from a free flame of a fuel burned in the boiler room, and to a lesser extent through the hot combustion gases in the way of
  • the heat exchanger tubes run through the boiler room in the form of coils.
  • the major disadvantage of open flames is that a desired geometric shape of the flame and a temperature distribution that is as uniform as possible can only be set with great difficulty. Even under changing operating conditions, uniform heating conditions can hardly be achieved.
  • the limits for corresponding control interventions are set very narrowly, changes in the flame geometry are synonymous with changes in the spacing of individual points of the heat exchanger tubes from the "flame surface". This means that the heat flow through the heat exchanger tubes always shows considerable fluctuations not only along the coil. An uneven heat flow is particularly noticeable over the circumference of the heat exchanger tubes, since the individual pieces of the
  • Liquid fuels can be burned practically without flame formation in a burner with a heat radiation surface by passing the gaseous fuel mixed with an oxygen-containing gas (e.g. air) through a porous radiation body and igniting and burning it on the river surface. The ignition takes place through the glow of this outer surface (heat radiation surface).
  • an oxygen-containing gas e.g. air
  • Fuel supply does not change.
  • the temperature distribution within the heat radiation area is very even.
  • Such a burner with a heat radiation surface is known, for example, from US Pat. No. 4,722,681.
  • a radiation body is formed from a ceramic fiber matrix and has a large length and width in comparison to the structural depth of the burner, so that there is a large heat radiation area. This burner is intended for the heat treatment of long webs of paper or fabric.
  • a flat coil is passed as a heat exchanger.
  • the fluid to be treated flows in the coil and is indirectly heated as a result of the heat radiation.
  • the radiant heater which as
  • Fiber burner is formed and arranged on the floor of the boiler room, releases hot combustion gases by combustion, which
  • Pipe coil of the heat exchanger lies in a vertical plane, the pipes of the individual turns of the pipe coil being arranged essentially horizontally.
  • a heating apparatus is known from EP 0 385 963 A1, which is formed from a cylindrical housing in which a likewise
  • cylindrical ceramic hollow body is arranged with a porous wall.
  • a cylindrical heat exchanger is also built into the housing, through which a heat transfer medium flows.
  • a mixture of a gaseous substance under excess pressure can be
  • Fuel and an oxygen-containing gas are introduced, which flows through the ceramic body and burns after ignition on the inner surface of the ceramic body.
  • the hot flue gases generated by the combustion can pass through suitable openings in the
  • This heater in which a large part of the heat absorbed by the heat exchanger is transferred by convection, is primarily intended as a boiler for heating buildings and is not suitable for carrying out high-temperature processes.
  • the fluid to be heated is introduced into the heat exchanger from above and drawn off again at the bottom, so that the "transport direction" of the
  • Pipe coil is opposed to the upward flow of combustion gases.
  • Vaporized liquid fuels such as kerosene, diesel, naphtha or alcohols are intended for combustion.
  • Heat exchanger tube coil is exposed to strong heat radiation, while the upper parts can no longer be reached by the heat radiation from the burner and are essentially heated by convection. But even the lowest heat exchanger tube can
  • Heat exchanger tube the tops of the heat exchanger tubes are not directly irradiated at all. This means that the heat flow is subject to considerable fluctuations both in the circumferential direction of the heat exchanger tubes and in the transport direction of the heat exchanger.
  • the object of the invention is to propose a generic device for the indirect heating of fluids, in which a much more uniform heat flow in the heat exchanger is guaranteed.
  • the invention provides that the tubes of the heat exchanger coils through which the fluid to be heated is passed are each irradiated by two heat radiators which are located on opposite sides with respect to the tube axis and with respect to the area into which the coil extends. Each coil is therefore arranged between two heat radiators directed towards one another with their heat radiation, so that there are no longer any unexposed surfaces facing away from the tube circumference. Since the heat radiation areas of the heat radiators each have a shape corresponding to the areal extent of the heat exchanger tube coil, the direction of travel can also be reduced
  • the heat exchanger coils generally do not represent a closed area, but that there is a free space between the individual turns. This means that the heat radiation from the two opposite heat radiators pass through these gaps and become undesirable
  • the invention therefore provides for two diametrically opposed longitudinal ribs to be arranged on the outside of the heat exchanger tubes, which extend over the entire or almost entire length of the tubes and each protrude into the spaces between the coils. These longitudinal ribs thus represent an obstacle to the passage of the
  • Longitudinal fins can absorb significant amounts of heat due to the heat radiation, the heat flow can be intensified through the areas of the tube walls lying laterally to the direction of radiation of the heat radiators, i.e. through the less strongly irradiated tube wall areas, by additional heat flowing from these longitudinal fins into these lateral areas by heat conduction.
  • the longitudinal ribs should therefore have the best possible contact with the pipe surface (eg welded connection). It can also be expedient to use a material with a higher thermal conductivity than the tube material for the longitudinal ribs. Since the heat flow depends directly on the cross-sectional area in the direction of flow, the thickness of the longitudinal ribs should be designed so that the heat input from the longitudinal ribs reduces the heat input into the lateral areas of the pipes as a result of the
  • the minimum thickness of the longitudinal ribs required for this can be determined by calculation in a known manner. In some cases, it may be appropriate to use longitudinal ribs that have an approximately trapezoidal shape instead of longitudinal ribs of constant thickness
  • the coil of the heat exchanger through which the fluid is guided, expediently has a flat extension, i.e. the coils of the pipe coil lie in one plane. Basically, the
  • Radiant body can be adapted to this area.
  • a cylindrical surface is recommended in such a case, the heat exchanger tubes being able to be arranged, for example, in a helical shape.
  • the term “pipe coil” is also intended to include this embodiment.
  • the tubes can also run parallel to the cylinder jacket lines, for example.
  • each coil surface is assigned two heat radiators located opposite one another. It is possible to place the heat radiators located between two adjacent coils in a single burner housing with two heat radiation surfaces radiating in the opposite direction
  • Heat radiation surfaces add up to a total heat radiation surface corresponding to the surface of the heat exchanger.
  • the conventional design does not allow such specifically different heating, since the combustion gases rising upwards from the burners arranged below in the boiler room inevitably influence the effect of the burners arranged above.
  • the invention allows the temperature gradient of the fluid on its way through the
  • Heat radiators can be carried out (e.g. electrically heated
  • burners with porous radiation bodies are particularly suitable, on the glowing surface of which gaseous fuels can be burned flameless with oxygen-containing gas. Be particularly preferred
  • Ceramic fiber burner This type of heat radiation source is not only characterized by simple handling, low pressure drops, quick response to load fluctuations and low noise levels, but also by extremely low levels of nitrogen oxides (less than 20 ppm), carbon monoxide and unburned fuel in the combustion exhaust gas. The ability to adjust the geometry of the
  • Heat radiators with a vertically arranged heat radiation surface are preferred.
  • the invention can also be carried out with horizontal heat radiation surfaces.
  • Figure 1 shows a schematic cross section through a
  • FIG. 2a shows a cross or longitudinal section through a conventional and 2b furnace for the pyrolysis of acetic acid
  • Figure 3a shows a cross or longitudinal section through a
  • FIG. 4 shows a cross section through a heat exchanger tube with trapezoidal longitudinal ribs
  • Figure 5 shows a cross section through a turn of a
  • Figure 6 shows a part of a cross section through an inventive
  • Figure 7 shows a section through a conventional oven for the
  • Figure 1 shows a cross section in a vertical plane of a
  • Pipe coils 4 each have diametrically opposite and vertically outwardly projecting longitudinal ribs 5 on their top and bottom sides, which are welded to the outside of the pipe.
  • the heat radiators 1 have a radiation body 15 made of a porous material (e.g. ceramic fiber material), which is embedded in a burner housing, which is open to the side facing the pipe coil 4. Through a gas inlet 2, a mixture of a
  • Pipe sections of the coil 4 with their outer end faces are close together or even meet, the space between the tubes of the coil 4 is practically completely shielded against direct passage of heat radiation from one heat radiator 1 to the other heat radiator 1, so that these are not mutually exclusive can negatively influence.
  • the heat absorbed by the longitudinal ribs 5 is in each case introduced into the wall of the tubes of the tube coil 4 by heat conduction and from there passed on to the fluid passed through.
  • the thickness of the longitudinal ribs 5 is designed, taking into account their thermal conductivity, such that the heat flow that can be passed through them is sufficient to cover the area in the upper and lower surface areas (in the area of the 12 o'clock and 6 o'clock positions) reduced heat radiation (in comparison to the 3 o'clock and 9 o'clock positions) approximately compensate for the lower heat absorption or at least significantly reduce the differences.
  • FIGS. 2a and 2b a reaction furnace, for example for the pyrolysis of acetic acid for the production of ketenes, is shown in FIGS. 2a and 2b.
  • the heating chamber 14 is surrounded by a heat-insulated housing 7.
  • the coils, designated 6, of the two heat exchangers arranged in parallel vertical planes, through which the acetic acid is passed, are mounted on a hanging device 10 in the heating chamber 14.
  • the lowermost heat exchanger tubes of the coils 6 are connected to the feed lines 8 and the top ones
  • Heat exchanger tubes connected to the discharge lines 9, so that the direction of transport of the acetic acid through the heat exchanger is in principle directed from bottom to top, although the coils 6 in
  • burners 11 run essentially horizontally.
  • Heat exchangers can be operated overall with higher efficiency. This means that either with the same heat exchange surface of a coil, a larger amount of heat or with the same maximum permissible
  • Heat exchange surface can be transferred.
  • Heat transfer performance is always an average between the maximum heat flow in the areas most exposed to heat radiation and the minimum heat flow in the areas of the heat exchanger tubes least exposed to heat radiation.
  • the ratio of the average to the maximum heat flow in conventional heat exchangers is approximately 1: 1.2.
  • the design according to the invention makes it possible to bring this ratio to almost 1: 1, since the entire surface of the heat exchanger tubes is almost the same height
  • the maximum permissible pipe wall temperature does not only depend on the temperature resistance of the pipe material, but is also very significantly determined by the thermal properties of the heated fluid. For example, decomposition reactions can take place above certain critical temperatures (e.g.
  • the invention enables an operating mode in which even exceeding the critical temperature limit, which is strictly local, can be reliably avoided, without at the same time
  • the temperature level of the heat exchanger on average would have to be reduced significantly below this critical limit.
  • FIGS. 3a and 3b show a furnace according to the present invention corresponding to the furnace from FIGS. 2a and 2b in a vertical longitudinal or cross-section.
  • the housing 7th In the through the housing 7th
  • enclosed boiler room 14 are four coils 4 as
  • Heat exchanger tubes in vertical planes parallel to each other
  • Pipe coils 4 take place through a common line (feed collector 13).
  • a discharge collector (not shown) is provided for the discharge line 9 of the heated fluid.
  • the heat exchanger tubes of the tube coil 4 attached to the hanging devices 10 on the housing 7 do not run essentially horizontally but vertically within the vertical plane (in the parallel tube sections). The general direction of transport of the fluid through the
  • the heat exchanger is therefore horizontal. Everyone on both flat sides
  • Pipe coil 4 is arranged in parallel at a distance from a heat radiator 1, the heat radiation surfaces 3 of which correspond in their extension to the areal extent of the pipe coil 4.
  • the gas inlet 2 for supplying the heat radiators 1 designed as a fiber burner is designed as a common manifold. The resulting are called
  • Combustion gases are led out of the heating chamber 14 through the flue gas opening 12. Except for those on the outside
  • the other heat radiators 1 are each provided with 2 heat radiation surfaces 3 acting in the opposite direction, i.e. they act like two separate heat radiators 1.
  • the longitudinal ribs 5 attached to the heat exchanger tubes of the tube coils 4 close by a complete shielding of the an undesirable mutual influence of the heat radiators 1 directed against each other in their radiation direction between the individual opposing pipe strands.
  • the longitudinal ribs 5 ensure the already described increase in the heat flow in the areas of the heat exchanger tube walls which are less affected by the direct heat radiation.
  • the heat radiation surfaces 3 may be brought relatively close to the coils 4. This enables an exceptionally compact design of the device.
  • a similar approach of the burners with a free flame would inevitably lead to local overheating on the heat exchanger tubes. Therefore, a conventional oven has a much larger one with the same heat transfer performance
  • Boiler room volume For the embodiment according to the invention, this results in a reduction in the required space to only a third of the previous value, as can be seen approximately from a comparison of FIGS. 2b and 3b.
  • the smaller volume means that the radiation losses to the outside are correspondingly lower. This leads together with the increase in
  • FIG. 4 shows a single heat exchanger tube of a tube coil 4, the longitudinal ribs 5a of which are approximately trapezoidal in cross section, the cross section widening towards the tube surface.
  • This shape takes into account the fact that the heat dissipation only has to take place in the direction of the heat exchanger tube and the amount of heat to be dissipated to the tube surface increases steadily over the height of the longitudinal fin.
  • the thickness of the longitudinal ribs is thus designed depending on the distance to the pipe surface in such a way that the cross-section which is at least required for the respective amount of heat is ensured. Compared to a design based on the maximum required cross section (constant over the entire height of the longitudinal ribs), this type of design leads to material and weight savings without the
  • FIG. 5 directly abut each other and align with one another, a modification is shown in FIG. 5 in which the longitudinal ribs 5b overlap one another in their vertical extent (from the tube surface). This has the advantage that a complete shielding of the spaces between the strands of the coil 4 can always be guaranteed. This would also be possible by using a single one instead of two longitudinal ribs
  • FIG. 6 shows a detail of an embodiment of the invention, in which the tube coil 4 and the heat radiation surfaces 3 of the radiation bodies 15 of the heat radiators 1 have a curved shape, namely a cylindrical jacket shape.
  • the pipe coil 4 is in the form of parallel rings or in the form of a helix
  • the fuel consumption of the furnace according to the invention is 37% lower and the output is on
  • Nitrogen oxides are more than 80% lower than with a conventional furnace.
  • there is the considerably more compact design which is documented in the fact that the coil area is around 30% smaller, the volume of the boiler room is 66% smaller and the surface of the boiler room is 54% smaller.

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Description

Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Vorrichtungen werden insbesondere benötigt zur Durchführung von Hochtemperaturprozessen, wie sie in der Erdölverarbeitung und in der Petrochemie häufig vorkommen. Das zu beheizende Fluid,
beispielsweise flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe oder ein Kohlenwasserstoff/Dampf-Gemisch, wird dabei üblicherweise in
Wärmetauscherrohpen durch einen Heizraum geführt und dabei durch die Rohrwand der Wärmetauscherrohre erwärmt, ohne mit dem Heizmedium in einen direkten Kontakt zu kommen. Die Wärmeübertragung auf die Rohrwand erfolgt meistens überwiegend durch Wärmestrahlung, die von einer freien Flamme eines im Heizraum verbrannten Brennstoffs ausgeht, und zu einem geringeren Teil durch die heißen Verbrennungsgase im Wege der
Konvektion. Die Wärmetauscherrohre verlaufen in Form von Rohrschlangen durch den Heizraum. Der große Nachteil offener Flammen ist darin zu sehen, daß eine gewünschte geometrische Form der Flamme und eine möglichst gleichförmige Temperaturverteilung nur sehr schwierig einstellbar sind. Insbesondere unter sich verändernden Betriebsbedingungen sind daher gleichmäßige Heizverhältnisse kaum erreichbar. Praktisch sind die Grenzen für entsprechende steuernde Eingriffe sehr eng gesetzt, önderungen der Flammengeometrie sind gleichbedeutend mit nnderungen des flbstandes einzelner Stellen der Wärmetauscherrohre von der "Flammenoberfläche". Das bedeutet, daß der Wärmefluß durch die Wärmetauscherrohre nicht nur entlang der Rohrschlange stets beträchtliche Schwankungen aufweist. Ein ungleichmäßiger Wärmefluß ist insbesondere auch über den Umfang der Wärmetauscherrohre feststellbar, da die einzelnen Teitstücke der
Rohroberfläche zwangsläufig eine unterschiedliche Ausrichtung zur Flamme haben, teilweise sogar von der Flamme abgewandt sind und somit
unterschiedlich stark bestrahlt werden. Dies kann dazu führen, daß es an den Wärmetauscherrohren an einzelnen Stellen zu örtlichen überhitzungen und gleichzeitig an anderen Stellen zu erheblichen Unterschreitungen der gewünschten Rohrwandtemperatur kommt. Dadurch können einerseits thermische Schädigungen der Wärmetauscherrohre von der Außenseite her auftreten, andererseits aber auch unerwünschte Effekte in bezug auf das zu beheizende Fluid ausgelöst werden (beispielsweise Verkokung der Rohrinnenoberfläche). In herkömmlichen Öfen für Hochtemperaturprozesse sind die Unterschiede vielfach so groß, daß das Verhältnis des maximalen zum mittleren Wärmefluß in den Wänden der Wärmetauscherrohre in einem Bereich von 3 : 1 bis 4 : 1 liegt.
Es ist bekannt, gasförmige Brennstoffe (Gase oder verdampfte
Flüssigbrennstoffe) praktisch ohne Flammbildung in einem Brenner mit Wärmestrahlungsfläche zu verbrennen, indem der gasförmige Brennstoff vermischt mit einem Sauerstoffhaltigen Gas (z.B. Luft) durch einen porösen Strahlungskörper hindurchgeführt und auf dessen flußenoberflache gezündet und verbrannt wird. Die Zündung erfolgt dabei durch das Glühen dieser Außenoberflache (Warmestrahlungsflache). Entsprechend der geometrischen Form des Strahlungskörpers weist die
Wärmestrahlungsfläche eine regelmäßige Form auf, die sich im
Unterschied zu einer offenen Flamme bei Veränderung der
Brennstoffzufuhr nicht ändert. Außerdem ist die Temperaturverteilung innerhalb der Wärmestrahlungsfläche sehr gleichmäßig.
Ein derartiger Brenner mit Wärmestrahlungsfläche (Wärmestrahler) ist beispielsweise aus der US 4 722 681 bekannt. 5ein Strahlungskörper ist aus einer Keramikfasermatrix gebildet und weist eine im Vergleich zur Bautiefe des Brenners große Länge und Breite auf, so daß sich eine große Warmestrahlungsflache ergibt. Dieser Brenner ist vorgesehen für die Wärmebehandlung von langen Papier- oder Gewebebahnen.
Weiterhin ist es aus der U5 4 865 543 bekannt, einen Brenner mit
Warmestrahlungsflache zur Beheizung eines Apparates zu verwenden, durch dessen Heizraum eine flache Rohrschlange als Wärmetauscher geführt ist. In der Rohrschlange fließt das zu behandelnde Fluid und wird infolge der Wärmestrahlung indirekt erwärmt. Der Wärmestrahler, der als
Faserbrenner ausgebildet und am Boden des Heizraums angeordnet ist, setzt durch die Verbrennung heiße Verbrennungsgase frei, die
hochsteigen und oben aus dem Heizraum abgeführt werden. Die
Rohrsch l ange des Wärmet auschers l i egt in einer vertika l en Ebene, wobei die Rohre der einzelnen Windungen der Rohrschlange im wesentlichen horizontal angeordnet sind. Schließlich ist aus der EP 0 385 963 A1 ein Heizapparat bekannt, der aus einem zylindrischen Gehäuse gebildet ist, in dem ein ebenfalls
zylindrischer Keramikhohlkörper mit poröser Wandung angeordnet ist. Im flbstand von der zylindrischen Oberfläche des Keramikkörpers ist in das Gehäuse außerdem ein wiederum zylinderförmiger Wärmetauscher eingebaut der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. In dem Zwischenraum zwischen dem Gehäusemantel und der Außenoberf lache des Keramikkörpers kann ein unter Überdruck stehendes Gemisch aus einem gasförmigen
Brennstoff und einem Sauerstoffhaltigen Gas eingeführt werden, das den Keramikkörper durchströmt und nach Zündung auf der Innenoberfläche des Keramikkörpers verbrennt. Die durch die Verbrennung entstehenden heißen Rauchgase können durch geeignete Durchtrittsöffnungen in der
Mantelfläche des zylindrischen Wärmetauschers unter Wärmeabgabe in den von dem Wärmetauscher umgebenen Hohlraum eintreten und von dort nach außen abgeführt werden. Dieser Heizapparat, bei dem ein großer Teil der vom Wärmetauscher aufgenommenen Wärme durch Konvektion übertragen wird, ist in erster Linie als Heizkessel für Gebäudeheizungen gedacht und nicht geeignet für die Durchführung von Hochtemperaturprozessen.
Das zu beheizende Fluid wird von oben in den Wärmetauscher eingeleitet und unten wieder abgezogen, so daß die "Transportrichtung" der
Rohrschlange dem aufwärtsgerichteten Strom der Verbrennungsabgase entgegengesetzt ist. Für die Verbrennung ist der Einsatz verdampfter Flüssigbrennstoffe wie Kerosin, Diesel, Naphta oder Alkohole vorgesehen.
Bei diesem bekannten Apparat sind die unteren Teile der
Wärmetauscherrohrschlange einer starken Wärmestrahlung ausgesetzt, während die oberen Teile nicht mehr von der Wärmestrahlung des Brenners erreicht werden können und im wesentlichen durch Konvektion erwärmt werden. Aber selbst beim untersten Wärmetauscherrohr kann die
Wärmestrahlung nur auf einen Teil der Rohroberfläche einwirken. Während die Seitenbereiche der horizontal liegenden Rohre erheblich weniger bestrahlt werden als die Unterseite des untersten
Wärmetauscherrohres, werden die Oberseiten der Wärmetauscherrohre überhaupt nicht direkt bestrahlt. Das bedeutet, daß der Wärmefluß sowohl in Umfangsrichtung der Wärmetauscherrohre als auch in Transportrichtung des Wärmetauschers erheblichen Schwankungen unterliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden vorzuschlagen, bei der ein wesentlich gleichmäßigerer Wärmefluß im Wärmetauscher gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.
Die Erfindung sieht vor, daß die Rohre der Wärmetauscherrohrschlangen, durch die das zu beheizende Fluid hindurchgeführt wird, jeweils von zwei Wärmestrahlern bestrahlt werden, die sich bezüglich der Rohrachse und bezüglich der Fläche, in die sich die Rohrschlange erstreckt, auf gegenüberliegenden Seiten befinden. Jede Rohrschlange ist also zwischen zwei mit ihrer Wärmestrahlung aufeinanderzu gerichteten Wärmestrahlern angeordnet, so daß es auf dem Rohrumfang keine unbestrahlten abgewandten Flächen mehr gibt. Da die Warmestrahlungsf lachen der Wärmestrahler jeweils eine der flächenhaften Erstreckung der Wärmetauscherrohrschlange entsprechende Form aufweisen, kann auch in Transportrichtung des
Wärmetauschers eine gleichmäßige Bestrahlung stattfinden.
Problematisch ist es jedoch, daß die Wärmetauscherrohrschlangen in der Regel keine geschlossene Fläche darstellen, sondern zwischen den einzelnen Windungen ein freier Zwischenraum verbleibt. Das bedeutet, daß die Wärmestrahlung der beiden gegenüberliegenden Wärmestrahler durch diese Zwischenräume hindurchtreten und zu unerwünschten
Temperatursteigerungen in den entsprechenden Bereichen der beiden
Wärmestrahlungsflächen führen könnte. Dadurch wäre nicht nur die
Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Wärmestrahlungsflächen beeinträchtigt, sondern es könnten auch Beschädigungen am
Strahlungskörper der Wärmestrahler entstehen.
Die Erfindung sieht daher vor, an der Außenseite der Wärmetauscherrohre jeweils zwei diametral gegenüberliegende Längsrippen anzuordnen, die sich über die gesamte oder nahezu gesamte Länge der Rohre erstrecken und jeweils in die Zwischenräume der Rohrschlangen hineinragen. Damit stellen diese Längsrippen ein Hindernis für den Durchtritt der
Wärmestrahlung durch die Zwischenräume der Rohrschlangen dar.
Zweckmäßigerweise sollte eine möglichst vollständige Abdeckung dieser Zwischenräume gewährleistet sein.
Neben dem Abschirmeffekt wird mit den Längsrippen im Rahmen der
Erfindung noch ein weiterer wesentlicher Zweck verfolgt. Da die
Längsrippen durch die Wärmebestrahlung erhebliche Wärmemengen aufnehmen können, kann der Wärmefluß durch die seitlich zur 5trahlungsrichtung der Wärmestrahler liegenden Bereiche der Rohrwände, also durch die weniger stark bestrahlten Rohrwandbereiche intensiviert werden, indem durch Wärmeleitung aus den Längsrippen zusätzliche Wärme in diese seitlichen Bereiche fließt. Die Längsrippen sollten daher einen möglichst guten Kontakt zur Rohroberfläche (z.B. Schweißverbindung) aufweisen. Es kann auch zweckmäßig sein, für die Längsrippen einen Werkstoff mit gegenüber dem Rohrwerkstoff höherer Wärmeleitfähigkeit einzusetzen. Da der Wärmefluß unmittelbar von der Querschnittsfläche in Fließrichtung abhängt, sollte die Dicke der Längsrippen möglichst so ausgelegt sein, daß durch die Wärmeeinleitung aus den Längsrippen die Verminderung des Wärmeeintrags in die seitlichen Bereiche der Rohre infolge der
geringeren direkten Wärmebestrahlung nahezu ausgeglichen wird. Die hierfür erforderliche Mindestdicke der Längsrippen läßt sich durch Berechnung in bekannter Weise ermitteln. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, anstelle von Längsrippen mit gleichbleibender Dicke solche Längsrippen einzusetzen, die einen etwa trapezförmigen
Querschnitt aufweisen, wobei die Dicke der Längsrippen in Richtung auf die Rohroberfläche zunimmt. Auf diese Weise läßt sich bei verringertem Gesamtgewicht und verringertem Materialaufwand eine gleichgute
Wärmeleitung erzielen wie bei Längsrippen, die über ihre gesamte Höhe konstant eine Dicke aufweisen, die der dicksten Stelle der
trapezförmigen Längsrippe entspricht.
Die Rohrschlange des Wärmetauschers, durch den das Fluid geführt wird, hat zweckmäßigerweise eine ebene Erstreckung, d.h. die Windungen der Rohrschlange liegen in einer Ebene. Grundsätzlich kann sich der
Wärmetauscher auch in gekrümmte Flächen erstrecken, da die
Wärmestrahlungsfläche durch entsprechende Formgebung des
Strahlungskörpers dieser Fläche angepaßt werden kann. Aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit empfiehlt sich in einem solchen Fall eine Zylindermantelfläche, wobei die Wärmetauscherrohre beispielsweise in Schraubenlinienform angeordnet werden können. Der Begriff "Rohrschlange" soll auch diese Ausführungsform mit beinhalten. Alternativ können die Rohre z.B. auch parallel zu den Zylindermantellinien verlaufen.
Selbstverständlich können im Heizraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehrere Rohrschlangen als Wärmetauscher vorgesehen sein.
Empfehlenswert ist eine Ausführung, bei der die Rohrschlangen in vertikalen Ebenen parallel zueinander angeordnet werden. Dabei bleibt das Erfindungsprinzip unverändert, daß jeder Rohrschlangenfläche jeweils zwei einander gegenüberliegende Wärmestrahler zugeordnet sind. Dabei ist es möglich, die zwischen zwei benachbarten Rohrschlangen befindlichen Wärmestrahler jeweils in einem einzigen Brennergehäuse mit zwei in entgegengesetzter Richtung strahlenden Wärmestrahlflächen
zusammenzufassen. Um über die gesamte Länge der Rohrschlange etwa konstante Heizbedingungen zu erzielen, empfiehlt es sich, die
Rohrschlangen in ihrer vertikalen Ebene so anzuordnen, daß die
zueinander parallelen Rohrabschnitte der Rohrschlange vertikal
ausgerichtet sind. Das bedeutet, daß das zu beheizende Fluid in den gegenläufigen Rohrabschnitten der einzelnen Windungen der Rohrschlange jeweils abwechselnd nach unten und wieder nach oben geführt wird und bezüglich der Längenerstreckung der Rohrschlange insgesamt in
horizontaler Richtung transportiert wird.
Auf diese Weise läßt sich ein störender Einfluß der nach oben steigenden heißen Rauchgase, die bei im wesentlichen horizontaler Führung der Rohrabschnitte zu unterschiedlichen Heizbedingungen führen können, weitgehend vermeiden. Wenn mehrere parallele Wärmetauscher vorgesehen sind, bietet es sich an, die Zuleitungen und Ableitungen des Fluids zu den einzelnen Wärmetauschern jeweils mit einer Sammelleitung, also einem Zuführsammler bzw. einem Abführsammler zu verbinden.
Es ist auch möglich, mehrere Wärmetauscher innerhalb derselben Ebene anzuordnen, wobei die Windungen der Wärmetauscher ineinander
verschachtelt sind. In einem solchen Fall wird die Abdeckung der
Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherrohren jeweils durch das
Zusammenwirken der Längsrippen mehrerer Wärmetauscher erreicht. Da die Heizbedingungen für einen Wärmetauscher wegen der Zuordnung der Wärmestrahler bei der erfindungsgemäßen Bauweise praktisch vollständig unabhängig sind von den Heizbedingungen anderer Wärmetauscher in parallel dazu angeordneten Ebenen, ist es im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik ohne weiteres möglich, innerhalb desselben Heizraums einzelne Wärmetauscher mit untereinander unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben. Darüber hinaus kann sogar ein und derselbe Wärmetauscher bezüglich seiner Transportrichtung in beispielsweise zwei oder drei Zonen mit gezielt unterschiedlicher Beheizung unterteilt werden, indem die zugeordnete Wärmestrahlungsfläche entsprechend unterteilt und mit unterschiedlicher Brennstoffmenge gespeist wird. Dies ist
gleichbedeutend mit einer entsprechenden Serienschaltung von kleineren, unabhängig betreibbaren Wärmestrahlern, deren einzelne
Wärmestrahlungsflächen sich zu einer der Fläche des Wärmetauschers entsprechenden Gesamtwärmestrahlungsfläche ergänzen.
Die herkömmliche Bauweise erlaubt eine solche gezielt unterschiedliche Beheizung nicht, da die nach oben steigenden Verbrennungsabgase der unten im Heizraum angeordneten Brenner unvermeidbar die Wirkung der oben angeordneten Brenner beeinflussen. Dagegen gestattet es die Erfindung, den Temperaturgradienten des Fluids auf seinem Weg durch die
Rohrschlangen kontrolliert zu verändern.
Obwohl die Erfindung mit beliebigen flächenhaft ausgebildeten
Wärmestrahlern durchführbar ist (z.B. elektrisch beheizte
Strahlungselemente). eignen sich insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen vor allem Brenner mit porösen Strahlungskörpern, auf deren glühender Oberfläche gasförmige Brennstoffe mit sauerstoffhaltigem Gas flammlos verbrannt werden können. Besonders bevorzugt werden
Keramikfaserbrenner. Diese Art der Wärmestrahlungsquelle zeichnet sich nicht nur durch einfache Handhabung, geringe Druckverluste, rasches Ansprechen auf Lastschwankungen und geringen Geräuschpegel sondern insbesondere auch durch außerordentlich niedrige Werte an Stickstoffoxiden (weniger als 20 ppm), Kohlenmonoxid und unverbranntem Brennstoff im Verbrennungsabgas aus. Durch die Möglichkeit zur Anpassung der Geometrie der
Wärmestrahlungsfläche an die Wärmetauschergeometrie und durch das Vermeiden der Unregelmäßigkeiten einer freien Flamme als Wärmequelle können Wärmestrahler und Wärmetauscher sehr nahe aneinandergebracht werden, ohne daß die Gefahr unkontrollierter örtlicher überhitzungen besteht. Dadurch kann der Wärmetausch auf einem außerordentlich effizienten Niveau gehalten werden, und zwar auch dann, wenn die Anlage nur mit geringer Leistung betrieben werden soll. Bevorzugt werden Wärmestrahler mit vertikal angeordneter Wärmestrahlungsfläche. Die Erfindung ist jedoch auch mit horizontalen Wärmestrahlungsflächen ausführbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 7, in denen funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch eine
erfindungsgemäße Vorrichtung,
Figur 2a einen Quer- bzw. Längsschnitt durch einen herkömmlichen und 2b Ofen für die Pyrolyse von Essigsäure,
Figur 3a einen Quer- bzw. Längsschnitt durch einen
und 3b erfindungsgemäßen Ofen für die Pyrolyse von Essigsäure, Figur 4 einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit trapezförmigen Längsrippen,
Figur 5 einen Querschnitt durch eine Windung einer
Wärmetauscherrohrschlange mit überlappten Längsrippen,
Figur 6 einen Teil eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit zylindermantelförmig ausgebildeter
Wärmetauscherrohrschlange und
Figur 7 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Ofen für die
Vorwärmung und Verdampfung einer Flüssigkeit.
Figur 1 zeigt im Querschnitt eine in einer vertikalen Ebene eines
Heizraums 14 liegende Rohrschlange 4, die von zwei Wärmestrahlern 1 seitlich mit Wärmestrahlung beaufschlagt wird. Die Rohre der
Rohrschlange 4 weisen an ihrer Ober- und Unterseite jeweils diametral gegenüberliegende und vertikal nach außen abstehende Längsrippen 5 auf, die außen mit dem Rohr verschweißt sind.
Die Wärmestrahler 1 haben einen Strahlungskörper 15 aus einem porösen Material (z.B. Keramikfaserwerkstoff), das in ein Brennergehäuse eingebettet ist, welches zu der der Rohrschlange 4 zugewandten Seite hin offen ist. Durch einen Gaseinlaß 2 kann ein Gemisch aus einem
gasförmigen Brennstoff und einem sauerstof fhaltigen Gas in das
Brennergehäuse eintreten und durchströmt in gleichmäßiger
Flächenverteilung den Strahlungskörper 15, dessen Wärmestrahlungsfläche 3 glüht und die Zündung und Verbrennung des zugeführten Gasgemisches bewirkt. Diese Verbrennung findet in unmittelbarer Nähe der
Strahlungsfläche 3 statt, so daß praktisch keine Flamme entsteht. Die Wärmestrahlung der Wärmestrahlungsfläche 3 trifft auf die Rohre der Rohrschlange 4 und deren Längsrippen 5 und erwärmt diese. Da die
Längsrippen 5 unmittelbar übereinander angeordneter
Rohrleitungsabschnitte der Rohrschlange 4 mit ihren außen liegenden Stirnflächen dicht beieinander liegen oder sogar aufeinander stoßen, ist der Zwischenraum zwischen den Rohren der Rohrschlange 4 gegen einen unmittelbaren Durchtritt von Wärmestrahlung des einen Wärmestrahlers 1 zum anderen Wärmestrahler 1 praktisch vollständig abgeschirmt, so daß diese sich nicht gegenseitig negativ beeinflussen können. Die von den Längsrippen 5 aufgenommene Wärme wird durch Wärmeleitung jeweils in die Wand der Rohre der Rohrschlange 4 eingetragen und von dieser an das durchgeleitete Fluid weitergegeben. Die Dicke der Längsrippen 5 ist unter Berücksichtigung ihrer Wärmeleitfähigkeit so ausgelegt, daß der durch sie hindurchleitbare Wärmefluß ausreicht, um die an sich in den oberen und unteren Oberflächenbereichen Cim Bereich der 12-Uhr- und der 6-Uhr-Lage) sonst wegen der dort verminderten Wärmeeinstrahlung (im Vergleich zum Bereich der 3-Uhr- und 9-Uhr-Lage) eintretende geringere Wärmeaufnahme in etwa auszugleichen oder die Unterschiede doch zumindest erheblich zu vermindern. Das bedeutet, daß das durch die Rohrschlange 4 geführte Fluid bezüglich der gesamten Innenoberfläche des Wärmetauschers auf etwa gleiche thermische Bedingungen trifft. Dies ist bei
herkömmlichen Apparaten für Hochtemperaturprozesse nicht der Fall.
Um dies zu verdeutlichen, ist in den Figuren 2a und 2b ein Reaktionsofen z.B. für die Pyrolyse von Essigsäure zur Herstellung von Ketenen dargestellt. Der Heizraum 14 ist von einem wärmeisolierten Gehäuse 7 umgeben. Die mit 6 bezeichneten Rohrschlangen der beiden in parallelen vertikalen Ebenen angeordneten Wärmetauscher, durch die die Essigsäure geführt wird, sind im Heizraum 14 auf einer Hängevorrichtung 10 gelagert. Wie aus Figur 2b hervorgeht, sind die untersten Wärmetauscherrohre der Rohrschlangen 6 an die Zuführleitungen 8 und die obersten
Wärmetauscherrohre an die Abführleitungen 9 angeschlossen, so daß die Transportrichtung der Essigsäure durch den Wärmetauscher im Prinzip von unten nach oben gerichtet ist, obwohl die Rohrschlangen 6 im
wesentlichen horizontal verlaufen. In der Gehäusewand 7 sind zu beiden Seiten der Rohrschlangen 6 Brenner 11 (schematisch durch
strichpunktierte Linien angedeutet) angeordnet, deren freie Flammen auf die Wärmetauscherrohre gerichtet sind. Die durch die Verbrennung enstehenden Verbrennungsabgase werden durch die Rauchgasöffnung 12 oben aus dem Heizraum 14 geführt. Es ist offensichtlich, daß die einzelnen Oberflächenbereiche der Rohre der Rohrschlangen 6 wie oben bereits erläutert in unterschiedlicher Intensität mit Wärme bestrahlt werden. Dies gilt sowohl für die Längserstreckung der Rohre als auch bezüglich ihrer Umfangsrichtung, da die Wärmestrahler (Brenner 11) nicht
großflächig ausgebildet sind und auch keine Längsrippen an den Rohren vorgesehen sind, die in den weniger stark bestrahlten Bereichen eine Verstärkung des Wärmeflusses bewirken könnten.
Die erheblich gleichmäßigere Wärmeeinbringung in die Wärmetauscherrohre bei der erfindungsgemäßen Ausführung bringt es mit sich, daß die
Wärmetauscher insgesamt mit höherer Effizienz betreibbar sind. Das bedeutet, daß entweder bei gleicher Wärmetauschfläche einer Rohrschlange eine größere Wärmemenge oder bei gleicher maximal zulässiger
Rohrwandtemperatur die gleiche Wärmemenge mit einer kleineren
Wärmetauschfläche übertragen werden kann.
Bei jedem durch Wärmestrahler beheizten Wärmetauscher ist die
Wärmeübertragungsteistung stets etwa ein Mittelwert zwischen dem maximalen Wärmefluß in den der Wärmestrahlung am stärksten und dem minimalen Wärmefluß in den der Wärmestrahlung am wenigsten ausgesetzten Bereichen der Wärmetauscherrohre. Im günstigsten Fall liegt bei herkömmlichen Wärmetauschern das Verhältnis des mittleren zum maximalen Wärmefluß bei etwa 1 : 1,2. Dagegen gestattet es die erfindungsgemäße Ausführung, dieses Verhältnis auf nahezu 1 : 1 zu bringen, da die gesamte Oberfläche der Wärmetauscherrohre eine fast gleichhohe
Temperatur aufweist.
Die Bedeutung der Vergleichmäßigung des Wärmeflusses zeigt sich auch darin, daß die maximal zulässige Rohrwandtemperatur nicht allein von der Temperaturbeständigkeit des Rohrmaterials abhängt, sondern ganz wesentlich auch durch die thermischen Eigenschaften des beheizten Fluids bestimmt wird. So können beispielsweise oberhalb bestimmter kritischer Temperaturen Zersetzungsreaktionen stattfinden (z.B.
Koksbildung), die zu Ablagerungen auf der Innenoberfläche der
Wärmetauscherrohre führen und damit eine zunehmende Verschlechterung der Wärmeübertragungseigenschaften des Wärmetauschers mit sich bringen. Durch die Erfindung ist eine Betriebsweise möglich, bei der sogar örtlich eng begrenzte Überschreitungen der kritischen Temperaturgrenze sicher vermieden werden, ohne daß dabei gleichzeitig das
Temperaturniveau des Wärmetauschers im Mittel deutlich unter diese kritische Grenze abgesenkt werden müßte. Durch die Vergleichmäßigung des Wärmef lusses auf dem Umf ang der Wärmetauscherrohre kann die
Rohrwandtemperatur praktisch auf dem gesamten Umfang auf dem maximal zulässigen Wert gehalten werden. In den Figuren 3a und 3b ist in einem vertikalen Längs- bzw. Querschni t t ein dem Ofen aus den Figuren 2a und 2b entsprechender Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem durch das Gehäuse 7
eingeschlossenen Heizraum 14 sind vier Rohrschlangen 4 als
Wärmetauscherrohre in zueinander parallelen vertikalen Ebenen
angeordnet. Die Zuführung 8 des zu beheizenden Fluids zu den
Rohrschlangen 4 erfolgt durch eine gemeinsame Leitung (Zuführsammler 13). In entsprechender Weise ist für die Ableitung 9 des beheizten Fluids ein (nicht dargestellter) Abführsammler vorgesehen. Im
Unterschied zu der herkömmlichen Ausführung entsprechend den Figuren 2a und 2b verlaufen die an Hängevorrichtungen 10 am Gehäuse 7 befestigten Wärmetauscherrohre der Rohrschlange 4 innerhalb der vertikalen Ebene (in den parallelen Rohrabschnitten) nicht im wesentlichen horizontal sondern vertikal. Die generelle Transportrichtung des Fluids durch den
Wärmetauscher ist daher horizontal. Auf beiden Flachseiten jeder
Rohrschlange 4 ist parallel im Abstand jeweils ein Wärmestrahler 1 angeordnet, dessen Wärmestrahlungsflächen 3 in ihrer Ausdehnung der flächenhaften Erstreckung der Rohrschlange 4 entsprechen. Der Gaseinlaß 2 zur Versorgung der als Faserbrenner ausgeführten Wärmestrahler 1 ist als gemeinsame Sammelleitung ausgebildet. Die entstehenden heißen
Verbrennungsabgase werden durch die Rauchgasöffnung 12 oben aus dem Heizraum 14 herausgeführt. Mit Ausnahme der an den Außenseiten
angeordneten Wärmestrahler 1 sind die übrigen Wärmestrahler 1 jeweils mit 2 in entgegengesetzter Richtung wirkenden Wärmestrahlungsflächen 3 versehen, wirken also wie zwei voneinander getrennte Wärmestrahler 1. Wie aus Figur 3b hervorgeht, schließen die an den Wärmetauscherrohren der Rohrschlangen 4 angebrachten Längsrippen 5 durch eine vollständige Abschirmung des zwischen den einzelnen gegenläufigen Rohrsträngen liegenden Zwischenraums eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung der in ihrer Strahlungsrichtung gegeneinander gerichteten Wärmestrahler 1 aus. Außerdem gewährleisten die Längsrippen 5 die bereits beschriebene Verstärkung des Wärmeflusses in den von der direkten Wärmebestrahlung weniger stark betroffenen Bereichen der Wärmetauscherrohrwände.
Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung keine freien Flammen zur Beheizung eingesetzt werden, dürfen die Warmestrahlungsflachen 3 relativ dicht an die Rohrschlangen 4 herangeführt werden. Dies ermöglicht eine außergewöhnlich kompakte Bauweise der Vorrichtung. Bei der konventionellen Bauweise würde eine ähnliche Annäherung der Brenner mit freier Flamme unvermeidbar zu örtlichen überhitzungen an den Wärmetauscherrohren führen. Daher hat ein herkömmlicher Ofen bei gleicher Wärmeübertragungsleistung ein wesentlich größeres
Heizraumvolumen. Für die erfindungsgemäße Ausführung resultiert daraus eine Reduzierung des erforderlichen Platzbedarfs auf nur noch ein Drittel des bisherigen Wertes, wie dies näherungsweise auch aus einem Vergleich der Figuren 2b und 3b hervorgeht. Hinzu kommt, daß durch das kleinere Volumen auch die Abstrahlungsverluste nach außen entsprechend geringer ausfallen. Dies führt zusammen mit der Steigerung der
Effizienz der Wärmeübertragung infolge der Nähe der
Warmestrahlungsflächen 3 zur Oberfläche der Wärmetauscherrohre insgesamt zu einer deutlichen Einsparung im Brennstoffverbrauch.
In Figur 4 ist ein einzelnes Wärmetauscherrohr einer Rohrschlange 4 dargestellt, dessen Längsrippen 5a im Querschnitt etwa trapezförmig sind, wobei sich der Querschnitt zur Rohroberfläche hin verbreitert. Diese Form trägt dem Umstand Rechnung, daß die Wärmeableitung nur in Richtung auf das Wärmetauscherrohr erfolgen muß und die abzuleitende Wärmemenge zur Rohroberfläche hin über die Höhe der Längsrippe stetig zunimmt. Die Dicke der Längsrippen ist also in Abhängigkeit von der Entfernung zur Rohroberfläche so ausηelegt, daß der für die jeweilige Wärmemenge mindestens erforderliche Querschnitt gewährleistet ist. Diese Art der Auslegung führt gegenüber einer Auslegung nach dem maximal erforderlichen Querschnitt (konstant über die gesamte Höhe der Längsrippen) zu Material- und Gewichtseinsparungen, ohne die
Wärmeleitkapazität der Längsrippen 5a zu beeinträchtigen.
Während in Figur 1 und Figur 3a die Längsrippen 5 zweier unmittelbar benachbarter Rohrstränge der Rohrschlange 4 an ihren äußeren
Stirnseiten jeweils unmittelbar aneinanderstoßen und miteinander fluchten, ist in Figur 5 eine Abwandlung dargestellt, bei der die Längsrippen 5b sich in ihrer Höhenerstreckung (von der Rohroberflache) gegenseitig überlappen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß stets eine vollständige Abschirmung der Zwischenräume zwischen den Strängen der Rohrschlange 4 gewährleistet werden kann. Dies wäre zwar auch dadurch möglich, daß anstelle zweier Längsrippen jeweils ein einziges
durchgehendes Blech als gemeinsame Längsrippe für zwei benachbarte gegenläufige Rohrstränge vorgesehen würde. Dies würde jedoch zu erheblichen Problemen infolge der zu erwartenden thermischen Spannungen in der Konstruktion führen. Demgegenüber läßt die Lösung gemäß Figur 5 eine freie Ausdehnung der Rohre und Längsrippen 5b zu, ohne daß ein Spalt im Zwischenraum entsteht, durch den die Wärmestrahlung
unmittelbar hindurchtreten könnte.
Figur 6 zeigt ausschnittsweise eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rohrschlange 4 ebenso wie die Warmestrahlungsf Lachen 3 der Strahlungskörper 15 der Wärmestrahler 1 eine gekrümmte Form, nämlich eine Zylindermantelform aufweisen. Die Rohrschlange 4 ist dabei in Form von parallelen Ringen oder auch in Form einer Schraubenlinie
ausführbar. Das Grundprinzip entspricht dabei aber vollständig den Darstellungen der Figuren 1 3a und 3b. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Bauweise wird besonders deutlich, wenn man diese auf einen Ofen zur Vorwärmung und Verdampfung von Rohöl anwendet, das anschließend einer atmosphärischen Destillation unterzogen werden soll. Die herkömmliche Bauweise ist in Figur 7 dargestellt. Unten im Heizraum 14 dieses Ofens sind Brenner 11 (nur ein Brenner ist dargestellt) angeordnet, die nach oben gerichtete freie Flammen erzeugen, welche die Beheizung der Rohrschlangen 6 bewirken. Das Rohöl wird durch Zuführleitungen 8 in der Nähe der Rauchgasöffnung 12 in die Rohrschlangen 6 eingeleitet und nach erfolgter Erwärmung und teilweiser Verdampfung unten aus dem Heizraum 14 durch die flbführleitungen 9 abgezogen und zur Destillationseinheit (nicht dargestellt) befördert. Da die Rohrschlangen 6 an den Wänden des Heizraums 14 angeordnet sind, erhalten sie nur von einer 5eite aus die Strahlungswärme der
Brennerflammen. Daher treten in Umfangsrichtung der Wärmetauscherrohre zwangsläufig erhebliche Temperaturdifferenzen auf. Darüber hinaus ergeben sich auch in vertikaler Richtung entlang der Rohrschlange 6 größere Temperaturunterschiede durch die unterschiedliche Entfernung der einzelnen Rohroberf lächenbereiche zum Zentrum der Brennerflammen. Aus der nachfolgenden Tabelle geht im einzelnen hervor, welche erheblichen Vorteile eine erfindungsgemäße Ausführung eines solchen Ofens, bei dem also Längsrippen an den Wärmetauscherrohren angebracht sind und die Rohrschlangen von zwei Seiten mit Wärmestrahlung versorgt werden, gegenüber einem Ofen gemäß Figur 7 aufweist:
Bei gleicher Wärmeübertragungsleistung ist der Brennstoffverbrauch des erfindungsgemäßen Ofens um 37 % niedriger und der Ausstoß an
Stickstoffoxiden um über 80 % geringer als beim herkömmlichen Ofen. Hinzu kommt die erheblich kompaktere Bauweise, die sich darin dokumentiert, daß die Rohrschlangenflache um ca. 30 %, das Volumen des Heizraums um 66 % und die Oberfläche des Heizraums um 54 % kleiner ausfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur indirekten Beheizung von Fluiden, insbesondere für Hochtemperaturprozesse, mit einem Heizraum (14), in dem mindestens ein Wärmestrahler (1) und mindestens eine flächenhaft ausgebildete Rohrschlange (4) angeordnet sind, durch die das zu beheizende Fluid hindurchführbar ist und die von außen mit der
Strahlungswärme des Wärmestrahlers beaufschlagbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rohrschlange (4) jeweils ein Paar von Wärmestrahlern (1) zugeordnet ist, die eine der flächenhaften Erstreckung der
Rohrschlange (4) entsprechend geformte Wärmestrahlungsfläche (3) aufweisen, wobei die Wärmestrahler (1) jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten der Rohrschlange (4) angeordnet sind, und daß das Rohr der Rohrschlange (4) jeweils an seiner Außenseite an zwei bezüglich des Rohrquerschnitts einander gegenübertiegenden Seiten jeweils mit Längsrippen (5, 5a, 5b) versehen ist, wobei sich die Längsrippen (5, 5a, 5b) über die gesamte oder nahezu die gesamte Länge der Rohrschlange (4) hinweg in den zwischen den Windungen der Rohrschlange (4) befindlichen Zwischenraum
erstrecken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsrippen (5, 5a, 5b) eine Höhe aufweisen, die eine vollständige oder nahezu vollständige Überdeckung des zwischen den Windungen der Rohrschlange (4) befindlichen Zwischenraums
gewährleistet.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Längsrippen (5, 5a, 5b) unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Längsrippenmaterials und der Höhe der Längsrippen (5, 5a, 5b) so ausgelegt ist, daß der Wärmefluß, der über die Längsrippen (5, 5a, 5b) in die Wand der Rohre der
Rohrschlange (4) hinein erfolgt, die sonst infolge der über den Rohrumfang ungleichmäßigen direkten Wärmebestrahlung sich einstellende verminderte Wärmezufuhr in den schräg zur
Wärmestrahlungsfläche (3) des Wärmestrahlers (1) stehenden
Oberflächenbereichen des Rohres der Rohrschlange (4) weitgehend ausgleicht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsrippen (5a) im Querschnitt etwa trapezförmig ausgebildet sind, wobei ihre Dicke jeweils in Richtung auf die Oberftäche der Rohre der Rohrschlange (4) zunimmt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrschlange (4) und die Wärmestrahier (1) sich jeweils in einer ebenen Fläche erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrschlange (4) und die Wärmestrahler (1) sich jeweils in einer gekrümmten, insbesondere in einer zytindermantelförmigen Fläche erstrecken.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Rohrschlangen (4) und mehrere Paar von Wärmestrahlern (1) im Heizraum (14) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Rohrschtangen (4) und die Wärmestrahler (1) jeweils parallel zueinander in einer vertikalen Ebene erstrecken.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre der Rohrschlange (4) jeweils überwiegend vertikal verlaufen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Zuführsammler (13) und ein Abführsammler vorgesehen sind, von dem aus das zu beheizende Fluid zu den Rohrschlangen (4) führbar bzw. von diesen abführbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einer Rohrschlange (4) jeweils zugeordnete Paar von Wärmestrahlern (1) in seiner Heizleistung unabhängig von den Wärmestrahlern (1) anderer Rohrschlangen (4) regelbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einer Rohrschlange (4) jeweils zugeordnete Paar von
Wärmestrahlern (1) (in Transportrichtung der Rohrschlange (4) gesehen) in bezüglich ihrer Heizleistung unabhängig voneinander regelbare Abschnitte der Wärmestrahlungsfläche (3) aufgeteilt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmestrahler (1) jeweils als Brenner mit einem porösen Strahlungskörper (15) ausgebildet ist, durch den hindurch ein Gemisch eines gas- oder dampfförmigen Brennstoffs und eines sauerstoffhaltigen Gases führbar und durch das Glühen des
Strahlungskörpers (15) auf dessen Oberfläche (3) zündbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmestrahler (1) als Keramikfaserbrenner ausgebildet ist .
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