Die Erfindung betrifft einen Satz von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen,
deren Mitglieder jeweils
aufweisen:
a) ein Gehäuse, das einen Einlaß für zu reinigendes
Gas und einen Auslaß für gereinigtes Gas aufweist; b) einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Brenner; c) eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Brennkammer,
welcher das zu reinigende Gas zuführbar ist und in
der der Brenner eine Flamme erzeugt; d) einen eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren umfassenden
Wärmetauscher, mit welchem dem die Brennkammer
verlassenden heißen Gas Wärme entzogen und dem der
Brennkammer zugeleiteten Gas zugeführt wird.
Bekannte thermische Nachverbrennungsvorrichtungen, wie
sie derzeit auf dem Markt sind, besitzen Wärmetauscherrohre
mit einer glatten Oberfläche. Damit ist der Wirkungsgrad
des aus diesen Wärmetauscherrohren aufgebauten
Wärmetauschers im wesentlichen festgelegt. Das Ausmaß,
in dem den die thermische Nachverbrennungsvorrichtung
verlassenden Gasen die Wärme entzogen und in dem
den verunreinigten Gasen vor der Brennkammer die Wärme
zugeführt wird, liegt ein für allemal fest. Es besteht
jedoch, je nach der der thermischen Nachverbrennungsvorrichtung
nachgeschalteten Anlage, durchaus der Wunsch
nach unterschiedlichen Auslaßtemperaturen des gereinigten
Gases. Bisher wurden hierzu die Wärmetauscher der
im Einzelfall verwendeten thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen
dadurch in ihrer Kapazität angepasst, daß ihre
Länge verändert wurde. Dies bedeutete jedoch einen sehr
tiefgreifenden Eingriff in die grundsätzliche Bauweise
der thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen, so daß bei
den unterschiedlichen Mitgliedern dieses bekannten Satzes
von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen zum Teil
ganz unterschiedliche Baukomponenten verwendet werden
mußten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Satz
von thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen zu schaffen,
dessen einzelne Mitglieder kostengünstiger herstellbar
sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
e) die Mantelfläche der Wärmetauscherrohre (10) zumindest
bereichsweise mit Erhebungen und/oder Vertiefungen (18)
versehen sind; f) die Dichte und/oder die Höhe der Erhebungen bzw. Tiefe
der Vertiefungen (18) und/oder die Größe des Bereichs
der Erhebungen und/oder Vertiefungen für die unterschiedlichen
Mitglieder des Satzes von thermischen
Nachverbrennungsvorrichtungen (1) unterschiedlich
sind, während die übrige Bauweise der unterschiedlichen
Mitglieder des Satzes im wesentlichen identisch ist.
Dadurch, daß erfindungsgemäß die Wärmetauscherrohre
nicht mit glatter Mantelfläche sondern mit Erhebungen
und/oder Vertiefungen an dieser Mantelfläche versehen
sind, wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Einstellung
des gewünschten Wärmetauscherwirkungsgrades
erreicht: Je mehr Erhebungen und/oder Vertiefungen bei
einer gegebenen Anzahl von Wärmetauscherrohren und einem
gegebenen Durchmesser dieser Wärmetauscherrohre vorgesehen
sind und umso höher bzw. tiefer sie sind, um so größer
ist die effektive Wärmetauscherfläche und damit auch der
Wärmetauscherwirkungsgrad. Es ist nunmehr möglich, den
unterschiedlichen Mitgliedern des Satzes von thermischen
Nachverbrennungsvorrichtungen allein dadurch unterschiedliche
Wärmetauscherwirkungsgrade nach Wunsch zu geben,
das die Zahl und/oder die Höhe der Erhebungen bzw.
Tiefe der Vertiefungen bei diesen unterschiedlichen
Mitgliedern unterschiedlich gewählt wird. Die Länge der
Wärmetauscherrohre und damit alle mit dieser Länge verknüpften
Bauelemente, so insbesondere auch das Gehäuse,
die Brennkammer, die Rohrböden, an denen die Wärmetauscherrohre
beidseitig befestigt sind, können unverändert
bleiben. Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Komponenten
der thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen in
größerer Stückzahl rationell fertigen, womit eine erhebliche
Preisreduzierung verbunden ist. U. U. ist es auch
möglich, eine bereits vorhandene thermische Nachverbrennungsvorrichtung
durch Austausch der unterschiedlich
gestalteten Wärmetauscherrohre von einem vorhandenen,
nicht mehr gewünschten Wärmetauscherwirkungsgrad auf einen
neuen Wärmetauscherwirkungsgrad umzurüsten.
Zweckmäßig ist, wenn die Wärmetauscherrohre von zu reinigendem
Gas durchströmt und über ihre Mantelfläche von
gereinigtem Gas angeströmt werden. Dann ist es nämlich
möglich, die Ablagerungen, welche das verunreinigte
Gas in den Wärmetauscherrohren zwangsläufig hinterläßt,
von Zeit zu Zeit durch eine Bürste abzureinigen, ähnlich
wie dies ein Kaminfeger tut. Bei bekannten thermischen
Nachverbrennungsvorrichtungen war die Art der
Anströmung umgekehrt: Das saubere, die Brennkammer verlassende
Gas wurde durch das Innere der Wärmetauscherrohre
geführt, während das die Verunreinigungen mit
sich führende Gas die Außenfläche der Wärmetauscherrohre
beaufschlagte. Hier war der Reinigungsprozeß erheblich
schwieriger.
Werden die Wärmetauscherrohre von zu reinigendem Gas
durchströmt, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß
dem gereinigten Gas, das heißer ist und daher ein größeres
Volmen einnimt, ein größerer Strömungsquerschnitt
zur Verfügung steht; die Drosselung ist entsprechend
geringer.
Das Gehäuse sollte einen abnehmbaren Deckel besitzen,
insbesondere um zu den Wärmetauscherrohren bei deren
Reinigung Zugang zu erhalten.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Längsachse des Gehäuses
vertikal verläuft. Bei bisherigen thermischen
Nachverbrennungsvorrichtungen wurden die Gehäuse "liegend",
also mit horizontal verlaufender Längsachse, aufgestellt.
Dies hatte seinen Grund darin, daß zur Erzielung
einer ausreichend großen Wärmetauscherleistung
verhältnismäßig lange Wärmetauscherrohre erforderlich
waren, was das Gehäuse sehr lang machte. Auf Grund der
in vielen Fällen nicht ausreichenden Raumhöhe war es
daher erforderlich, das Gehäuse zu "legen". Da jedoch
das Gehäuse über seine Längserstreckung hinweg sehr
unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist, mussten
besondere Auflagen für das Gehäuse geschaffen werden,
mit denen in unterschiedlichen Bereichen des Gehäuses
eine Verschiebung gegen die mit dem Boden verbundene,
tragende Struktur möglich war, um thermische Ausdehnungen
zu kompensieren. Dies war sehr aufwendig. Auf
Grund der größeren Wärmetauscherfläche, die von den
mit Erhebungen und/oder Vertiefungen versehenen Wärmetauscherrohren
erzielt wIrd, können diese sehr viel
kürzer gehalten werden. Dies wiederum ermöglicht, auch
bei verhältnismäßig geringen Raumhöhen die thermische
Nachverbrennungsvorrichtung bzw. deren Gehäuse "aufrecht
zu stellen", also mit vertikaler Längsachse anzuordnen.
Ein AusfÜhrungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur
zeigt einen vertikalen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße
thermische Nachverbrennungsvorrichtung.
Die in der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugszeichen
1 versehene thermische Nachverbrennungsvorrichtung umfaßt
ein in der Draufsicht kreisförmiges Gehäuse 2 mit
einem seitlich angeordneten Einlaßstutzen 3 für Verunreinigungen
enthaltende Abluft und einem diesem Einlaßstutzen
3 diametral gegenüberliegenden, jedoch etwas
höher angeordneten Auslaßstutzen 4 für gereinigte
Luft. Der Einlaßstutzen 3 kommuniziert mit einem unteren
Luftverteilraum 5, der nach unten durch einen
wärmeisolierten Boden 6 und nach oben zum einen durch
den Boden 8 eines becherförmigen Isolier- und Umlenkeinsatzes
7 und zum anderen durch einen den Boden 8
umgebenden ringförmigen Rohrboden 9 begrenzt ist. In dem
ringförmigen Rohrboden 9 sind die unteren Enden einer
Vielzahl achsparalleler Wärmetauscherrohre 10 befestigt,
welche alle denselben radialen Abstand von der Achse
des Gehäuses 2 besitzen. Die Innenräume der Wärmetauscherrohre
10 kommunizieren an ihrem unteren Ende
mit dem Luftverteilraum 5.
Die oberen Enden der Wärmetauscherrohre 10 sind in einem
oberen Wärmetauscherboden 11 befestigt, der sich
bis auf eine achsnahe Durchgangsöffnung 12 über den
gesamten Querschnitt des Gehäuses 2 erstreckt.
Das Gehäuse 2 umfasst einen kuppelartigen Deckel 2a,
der auf den im Querschnitt kreisförmigen Abschnitt 2b
des Gehäuses 2 dicht aber lösbar aufgesetzt ist. Durch
eine obere, achsnahe Öffnung 13 des Deckels 2a ist ein
Brenner 14 ins Innere des Gehäuses 2 eingeführt, der
bis in die Öffnung 12 des oberen Rohrbodens 11 hineinreicht.
Der Brenner 14 wird über nicht dargestellte
Leitungen mit Brennstoff, beispielsweise Gas, versorgt.
Der Deckel 2a und der obere Rohrboden 11 begrenzen gemeinsam
einen oberen Verteilraum 15, der mit den oberen
Enden der Innenräume der Wärmetauscherrohre 10 kommuniziert.
Radial innerhalb des nach oben offenen Isolier- und
Umlenkeinsatzes 7 erstreckt sich koaxial ein zylindrisches
Brennkammergehäuse 16, das unten in Abstand von dem
Boden 8 des Einsatzes 7 endet und dort offen ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmetauscherrohren 10
sind die hier verwendeten Wärmetauscherrohre 10 nicht
mit glatter Mantelfläche versehen; vielmehr weisen die
Wärmetauscherrohre 10 in einem unteren axialen Bereich
eine Vielzahl von Vertiefungen 18 auf, durch welche die
effektive Wärmetauscherfläche der Wärmetauscherrohre 10
gegenüber solchen mit glatter Mantelfläche erhöht wird.
Die effektive Wärmetauscherfläche hängt somit nicht nur
vom Radius und der Länge der Wärmetauscherrohre 10 sondern
auch von der Dichteverteilung der Vertiefungen 18 und
von deren Tiefe sowie von der Länge des axialen Bereichs,
auf dem Vertiefungen 18 vorgesehen sind, ab.
Der ringförmige Zwischenraum 25 zwischen dem Gehäuse
2 und dem Isolier- und Umlenkeinsatz 7 ist durch zwei
Ringräume 26, 27 radial erweitert. Der erste Ringraum
26 befindet sich am unteren Ende des Zwischenraumes 25
und steht über einen Kanal 28 mit dem Auslaßstutzen
4 in Verbindung. In dem Kanal 28 liegt eine verstellbare
Drosselklappe 30. Der zweite Ringraum 27 befindet sich
etwas unterhab der halben Höhe des Zwischenraumes 25. Er
ist über einen Kanal 29, in dem eine einstellbarre Drosselklappe
31 liegt, mit dem Auslaßstutzen 4 verbunden.
Die in der Zeichnung dargestellte thermische Nachverbrennungsvorrichtung
1 arbeitet wie folgt:
Die zu reinigende Abluft wird über den Einlaßstutzen
3 in den unteren Verteilraum 5 geleitet. Von dort strömt
sie in die unteren Enden der Wärmetauscherrohre 10 ein,
durchströmt diese nach oben bis in den oberen Verteilraum
15, von wo sie, ggfs. durch Luftschaufeln 19 des
Brenners 14 verwirbelt, in den innerhalb des Brennkammergehäuses
16 befindlichen Brennraum 20 eintritt. Dort wird
sie mit Hilfe des Brenners 14 auf eine Temperatur erwärmt,
bei welcher die Verunreinigungen verbrennen.
Aus dem unteren Ende des Brennkammergehäuses 16 tritt
somit gereinigtes Gas aus, welches in dem Zwischenraum
zwischen der Außenmantelfläche des Brennkammergehäuses
16 und der Innenmantelfläche des Isolier- und Umlenkeinsatzes
7 wieder nach oben strömt, von dort über den
oberen Rand des Isolier- umd Umlenkeinsatzes 7 radial nach
außen in den ringförmigen Zwischenraum 25 gelangt, der
zwischen der Außenmantelfläche des Isolier- und Umlenkeinsatzes
7 und der Innenmantelfläche des zylindrischen
Abschnittes 2b des Gehäuses 2 liegt und durch den die
Wärmetauscherrohre 10 verlaufen. Nimmt man zunächst an,
daß die obere Drosselklappe 31 geschlossen und die untere
Drosselklappe 30 geöffnet ist, so strömt das gereinigte
Gas parallel zu den Wärmetauscherrohren 10 nach unten und
gelangt über den unteren Ringraum 26 und den Kanal 28 zum
Auslaßstutzen 4 und von dort zu einem nachgeschalteten
Anlagenteil, z. B. einem Trockner, in dem die Temperatur
der gereinigten Gase in geeigneter Weise genutzt wird.
Der Wirkungsgrad des von den Wärmetauscherrohren 10
gebildeten Wärmetauschers hängt offensichtlich von der
Wärmetauscherfläche und damit, wie oben schon angemerkt,
von der Zahl der Wärmetauscherrohre 10, deren Durchmesser
sowie der Zahl und Tiefe der Vertiefungen 18 ab. Sind
diese Daten einmal festgelegt, ist auch der Wärmetauscherwirkungsgrad
bestimmt. Die über den Einlaßstutzen 3 zuströmende
Abluft wird daher beim Durchgang durch die
Wärmetauscherrohre 10 in einem ganz bestimmten Ausmaße
erwärmt. Entsprechend sinkt die Temperatur der die thermische
Nachverbrennungsvorrichtung 1 über den Auslaßstutzen
4 verlassenden Luft ebenfalls auf einen ganz
bestimmten Wert.
Der Brenner 14 muß der die Wärmetauscherrohre 10 verlassenden
Abluft so viel Energie zuführen, daß ihre
Temperatur auf die im Brennraum 20 zur Verbrennung der
Verunreinigungen erforderliche Temperatur gebracht wird.
Wenn der thermische Nachverbrennungsvorrichtung 1 eine
Anlagenkomponente nachgeschaltet ist, für die eine andere
Temperatur der zugeführten gereinigten Luft zweckmäßig
ist, so kann der Wirkungsgrad des durch die Wärmetauscherrohre
10 gebildeten Wärmetauschers entsprechend geändert
werden. Wird beispielsweise gewünscht, daß die Temperatur
der aus dem Auslaßstutzen 4 austretenden Luft höher als
bei der in der Zeichnung dargestellten thermischen Nachverbrennungsvorrichtung
1 ist, so muß der Wirkungsgrad
des Wärmetauschers verkleinert werden. Hierzu genügt
es, die Wärmetauscherrohre 10 durch solche zu ersetzen,
die eine geringere effektive Wärmetauscherfläche zur
Verfügung stellen, also insbesondere durch solche, die
eine geringere Zahl und/oder Tiefe der Vertiefungen
18 besitzen. Alle übrigen Anlagenkomponenten können
in ihrer Dimensionierung unverändert bleiben.
Auf diese Weise kann der Hersteller einen ganzen "Satz" von
thermischen Nachverbrennungsvorrichtungen 1 anbieten,
die weitestgehend baugleich sein können und daher rationell
und kostengünstig hergestellt werden können,
dabei gleichwohl für unterschiedliche Anwendungszwecke,
die unterschiedliche Auslaßtemperaturen der gereinigten
Luft erfordern, geeignet sind.
Bei jedem Mitglied dieses Satzes kann durch den einstellbaren
By-Pass, der durch den oberen Ringraum 27, den Kanal
29 und die Drosselklappe 31 gebildet ist, die Auslaßtemperatur
verändert werden. Zur Erhöhung der Auslaßtemperatur
wird die obere Dosselklappe 31 etwas geöffnet und die
untere Drosselklappe 30 entsprechend geschlossen. Mit
Hilfe der Drosselklappen 30, 31 kann die thermische Nachverbrennungsvorrichtung
1 außerdem in gewissem Umfang
an unterschiedliche Volumenströme angepaßt werden.