LU85028A1

LU85028A1 - Gitterstein fuer senkrechte winderhitzer sowie mit diesen gittersteinen aufgebaute winderhitzerausgitterung

Info

Publication number: LU85028A1
Application number: LU85028A
Authority: LU
Original assignee: Wurth Paul Sa
Priority date: 1983-10-05
Filing date: 1983-10-05
Publication date: 1985-06-19
Also published as: ATE38056T1; DE3474689D1; EP0137430A2; CA1240837A; US4593751A; EP0137430A3; EP0137430B1

Description

1 » -1- 11 Gitterstein für senkrechte Winderhitzer sowie mit diesen Gittersteinen aufgebaute Winderhitzeraus-gitterung " : Gegenstand der Erfindung ist eine Ausgitterung 5 eines senkrechten Winderhitzers, der einen stehenden i Schacht aufweist mit einer von dem den Besatz aufheizen- . den Brenngas bzw. von dem durch den Besatz aufzu heizenden Wind durchströmte Besatzsteinzone. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen neuartigen Gitter-10 stein für die Ausgitterung eines senkrechten Winderhitzers.

Mit der Erhöhung der Einblastemperatur des Heisswindes in den Hochofen und der Vergrösserung des Heisswinddurchsatzes der Hochöfen steigen ebenfalls 15 die Anforderungen an Winderhitzer und an deren Ausgitterung, die einen möglichst wirksamen Wärmeaustausch zwischen den hocherhitzten Verbrennungsgasen und dem Besatz und ebenfalls zwischen dem Kaltwind und dem Besatz bei möglichst geringem Druck-20 Verlust gewährleisten muss.

Den strömungs-und wärmetechnischen Vorgängen im Winderhitzer und insbesonders in der Besatzsteinzone kommt demgemäss eine grosse Bedeutung zu und ihre enge Verknüpfung mit dem gesamten Wärmeaustausch 25 ist unbestritten.

Bekanntlich wird der Besatz eines senkrecht stehenden Winderhitzers durch einzelne Besatzsteine, _ in üblicher Weise Röhrensteine, die übereinander gelegt zu einem möglichst gleichmässigen, mit Kanälen durch-30 setzten Stapel angeordnet sind, gebildet. Die an diese Stapelung gestellten Forderungen reichen von einer guten Raumausnutzung unter möglichst weitgehender Beibehaltung des grundsätzlich üblichen Aufbaues eines Hochofen-Winderhitzers, über die Erzielung einer 35 möglichst grossen wirksamen Heizfläche, einer möglichst gleichmässigen StrömungsVerteilung über den Besatzzonenquerschnitt bis zur Speicherfähigkeit und * mechanischen ( statischen ) Festigkeit der einzelnen // Besatzsteine.

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Die vorgenannten Erwägungen führen zu der erfindungs-gemässen Aufgabe einer Erhöhung der Leistung eines senkrechten Winderhitzers durch eine Verbesserung der Ausgitterung in dessen Besatzsteinzone anzustreben.

5 Diese Aufgabe wird durch eine Winderhitzerausgitterung mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst. Die Form der Besatz-- steine ist derart gestaltet, dass in den Durchgangskanälen * des Gitterwerks eine hohe Turbulenz erzeugt wird und gleich zeitig die Heizfläche des Gitterwerks erhöht wird.

10 Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung entnommen werden. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele . gemäss der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt ;

Figur 1, in schematischer Darstellung die Ausgitterung 15 eines Gitterschachts anhand eines brennschächtlosen Winderhitzers ;

Figur 2, einen Besatzstein und zwar Figur 2a in der Draufsicht und Figur 2b im Schnitt entlang der Linie A-A } 20 Figuren 3, 4 und 5, verschiedene Setzweisen für die erfindungsgemässe Ausgitterung mittels dem Besatzstein gemäss der Figur 2 ;

Figur 6, eine verbesserte Ausführungsform des Besatzsteins gemäss Figur 2 und zwar Figur 6a in der Draufsicht 25 und Figur 6b im Schnitt entlang der Linie A-A ;

Figur 7, einen Teilschnitt durch mehrere Lagen von Besatzsteinen nach der Figur 6 j

Figur 8, eine Setzweise für die erfindungsgemässe - Ausgitterung mittels dem Besatzstein nach der Figur 6 ; 30 Figuren 9a und 9b jeweils in Draufsicht bzw. im

Schnitt eine Abänderung der Ausführungsform gemäss Figur 2 ;

Figuren 10a und 10b jeweils in Draufsicht bzw. im Schnitt eine Abänderung der Ausführungsform gemäss Figur 10.

In der Figur 1 ist ein mit der neuartigen Aus-35 gitterung ausgestatteter brennschachtloser Winderhitzer / « I dargestellt und obwohl die erfindungsgemässe Aus gitterung insbesondere bei dieser Winderhitzerart vorteilhaft zur Geltung kommt, so kann sie selbstverständlich ebenfalls bei einem Winderhitzer her-5 kömmlicher Bauart angewandt werden.

Der brennschachtlose Winderhitzer nach der Figur 1 besteht aus dem senkrechten Gitterschacht 1 und der vom Gitterschacht dehnungsmässig abgesetzten Kuppel 2, welche beide von einem gasdichten Blech-10 mantel 3, der durch feuerfestes Mauerwerk und Isolierstoffe 4 in üblicher Weise geschützt ist, gebildet werden. Der Schacht 1 ist mit einem, in diesem Fall aus drei unterschiedlichen Lagen bestehenden Gitterwerk oder Besatz 5 aus feuerfesten Steinen zur Wärme-15 aufSpeicherung bzw. Wärmeabgabe ausgestattet. Das feuerfeste Gitterwerk ruht auf einem säulenförmigen Gitterrost 6. Ein Anschlusstutzen 7 sowohl für die zu erhitzende kalte Nutzluft als auch für die bei der Beheizung des Gitterwerks abzuziehenden Abgase ist 20 am unteren Ende des Winderhitzers, auf der Höhe des

Gitterrostes 6, vorgesehen. Die den Winderhitzer oben abschliessende Kuppel 2 ist, in an sich bekannter Weise, am oberen Ende des Schachtmauerwerks 5 derart aufgesetzt, dass der Schacht 1, sowie das innenliegende Mauer-25 werk sich in das Kuppelmauerwerk dehnen kann. Das

Kuppelgewölbe ist mit einem Anschlusstutzen 8 versehen, der zum Abziehen der durch den Winderhitzer geleiteten erhitzten Nutzluft dient. Sowohl am unteren Ende des Winderhitzers, in der Höhe des Gitterrostes als 30 auch in der Kuppelwand, etwas oberhalb des Besatzes 5, sind jeweils mindestens ein Mannloch 9 bzw. 10 vor-- gesehen.

Gegenüber den üblichen sich zurzeit in Betrieb ’ befindenden Winderhitzern unterscheidet sich der in der 35 Figur 1 dargestellte Winderhitzer dadurch, dass dessen Kuppelgewölbe als Brennraum ausgebildet ist, in welchen mehrere am Kuppelumfang symetrisch angeordnete Brenner einmünden.

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Wie schon vorher erwähnt und wie in der Figur 1 angedeutet , ist die Besatzsteinzone 5 des Gitterschachts 1 in drei verschiedene Zonen 5' , 5'* , S*'' aufgeteilt, die entweder mit unterschiedlicher Aus-5 gitterung ausgeführt und/oder mit Besatzstein unterschiedlicher Materialzusammensetzung ausgestattet sind. Desweiteren weisen die einzelnen Zonen eine unterschiedliche Höhe auf ; die untere kältere Zone 5' s ist wesentlich länger ausgebildet als die direkt an.

10 die Kuppel anschliessende sehr heisse Zone 5'''.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen Zonen 5' , 5'* , δ'1' mit Besatzsteinen ausgestattet wie sie in der Figur 2 ( Figur 2a und 2b ) dargestellt sind. Wie aus der Figur 2a ersichtlich, 15 weist der Besatzstein 20 im wesentlichen eine in ein Quadrat diagonal eingeschriebene Kreuzform auf, wobei die zwei Kreuzbalken 11 und 12 mit unterschiedlicher Stärke ausgebildet sind, jedoch die gleiche Länge aufweisen. Die Kreuzbalken 11 und 12 sind an ihren 20 äusseren Ecken ( 11a, 11b, 11c, lld und 12a, 12b, 12c, 12d ) schräg unter einem Winkel von 45° abgestumpft.

In den Balken 11 und 12 sind rechteckige Aussparungen oder Kanäle 13, 14, 15, 16 und 17 gleicher Grösse vorgesehen. Die Kanäle 13 und 14 befinden sich in 25 symetrischer Anordnung zur Steinmitte in den Armen des Balkens 11 und sind mit ihrer Längsseite im rechten Winkel quer zur Balkenlängsachse gestellt, während die Kanäle 15 und 16 sich gleichfalls in symetrischer Anordnung zur Steinmitte in den Armen des Balkens 12 30 befinden, jedoch mit ihrer Längsseite zur Balkenlängsachse ausgerichtet sind. Der Kanal 17 ist zur * Steinmitte zentral angeordnet und zwar in der Weise, dass seine Längsseiten jeweils Querseiten anderer Kanäle ( 15, 16 ) und seine Querseiten jeweils Längs-35 seiten der restlichen Kanäle ( 13, 14 ) gegenüberstehen. Wie aus der Figur 2a hervorgeht, ist der Besatzstein 20 ( über seinen Querschnitt ) mit gleicher * -5-

Einer der Vorteile des Besatzsteines besteht darin, dass alle Innen-und Aussenkanten geradlinig sind und er demgemäss ohne grossen technischen Aufwand hergestellt werden kann.

5 Aus im Nachfolgenden näher beschriebenen

Ursachen, wird es gegebenenfalls notig sein, einen Teil der vorbeschriebenen Besatzsteine statt mit Kanälen rechteckigen Querschnitts mit solchen quadratischen Querschnitts zu versehen.

10 Desweiteren geht aus der vorhergehenden

Beschreibung hervor, dass der neuartige Besatzstein von einer quadratischen Grundform abgeleitet ist, die man bei der Zusammenlegung der Steine wiederfindet, wie dies in‘den Figuren 3, 4 und 5 verdeutlicht 15 wird, welche die Satzweise der Steine in den einzelnen Besatzsteinzonen darstellen.

Figur 3 zeigt eine Setzweise der sogenannten " herringbone-Weise " ( Fischgrätweise ) , in welcher die Steine von zwei übereinanderliegenden Lagen um 20 jeweils 90° verdreht sind.

Figur 4 zeigt eine gleichmässige Setzweise der Steine in allen Lagen, obwohl auch hier die in den gleichen Lagen nebeneinanderliegenden Steine lageverkehrt angeordnet sind. Zwei übereinanderliegende 25 Steine sind jedoch nicht gegenseitig verdreht wie in Figur 3.

In der Figur 5 wurden die Steine von zwei übereinanderliegenden Lagen nicht nur um 90° versetzt, sondern sind darüberhinaus auch noch im Verband an-30 geordnet. Durch diese Setzweise wird eine bessere Zusammenfügung ( Integration ) erreicht, was eine * bessere Stabilität zur Folge hat.

Die in den Figuren 3 bzw. 5 aufgezeigte Setzweise kommt erfindungsgemäss in den Besatzsteinzonen 35 5' ,5'' zur Anwendung. Hierdurch wird in diesen beiden Zonen eine starke Turbulenz der durchfliessenden Medien ( Abgas-bzw. Kaltwind ) erzeugt, wodurch ein wesentlich erhöhter Wärmeaustausch ( in der einen oder /

I I

• * I anderen Richtung ) vollzogen wird. Darüberhinaus steht dem durchfliessenden Medium eine etwa 10 % grössere Wärmeaustauschfläche, bei gleichbleibender : Steindicke zur Verfügung, wodurch der Wärmeaustausch 5 wiederum gefördert wird.

Zur Stabilisierung des Besatzsteinstapels wird mindestens jede fünfte Lage in der Verbandsetzweise nach der Figur 5 gelegt. In der Höhe werden die durch die Herstellungstoleranzen sich ergebenden Differenzen 10 ebenfalls nach jeder fünften Lage durch Aussortieren der Steine ausgeglichen.

Die obere Bes atz steinzone 5'.' 1 ist mit der Setzweise gemäss Figur 4 ausgeführt, die einen geringen Durchflusswiderstand hat. Der entsprechend kleinere 15 konvektive Wärmeübergang wird hier durch die starke Strahlung ausgeglichen.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde für die Zustellung der einzelnen Besatzsteinzone verschiedene Baustoffe gewählt und zwar Silikasteine 20 in der Hochtemperaturzone δ''" , Hochtonerdesteine in der Mittelzone 51' und Schamottesteine in der unteren Zone 5' . Alle verwendeten Steine haben jedoch dieselbe in der Figur 2 gezeigte Formgebung, was ihren Herstellungsprozess wesentlich erleichtert.

25 Figur 6 zeigt eine verbesserte Ausführungs form des erfindungsgemässen Gittersteins für senkrechte Winderhitzer, die sich gegenüber der vorherbeschriebenen sowohl in der Formgebung als in der Setzweise dahingehend unterscheidet, dass sie eine gleichmässige 30 Durchflutung bzw. Beaufschlagung und eine erhöhte Stabilität des Gitterwerks ergibt.

Figur 6a zeigt, dass der Gitterstein 22 im wesentlichen die Grundformen des Steins 20 beibehält, dass die Formgebung jedoch in der Weise verbessert 35 wurde, dass er überall mit der gleichen Wandstärke " a " hergestellt wird und so gleichmässig gestaltet wurde. Desweiteren wird der Stein 22 an der Ober-und -7- . *· , ünterflâche mit Nuten bzw. Ausnehmungen 23, 24 ( Figur 6b ) versehen. In die Ausnehmungen 23, 24 können beispielsweise Kugeln oder plastische Massestopfen 25, 26 eingelegt - werden, die den Stein 22 gegenüber den Steinen 22' bzw.

5 22'' der angrenzenden Lagen arretieren ( siehe auch

Figur 8 ) .

Was nun die Setzweise betrifft, so erhält man durch die gleichmässige Formgebung des Gittersteins 22 ( überall gleiche Wandstärke " a " ) im Gitter nur 10 noch Kanäle mit rechteckigem Querschnitt gegenüber den Kanälen mit sowohl rechteckigem als auch quadratischem Querschnitt wie sie mit dem Gitterstein 20 erzeugt werden, was am besten aus einem.Vergleich der Figur 8 mit der Figur 5 ersichtlich wird.

15 Vorzugsweise werden alle Lagen, wie aus der

Figur 8 hervorgeht, mit dem Gitterstein 22 in Verband gesetzt, wobei jedoch immer der darüberliegende Stein nur zwei der unteren Steine erfasst. Die dritte Verbandlage, die ebenfalls wieder nur zwei Steine 20 erfasst, schliesst jedoch den Kreis, d.h. die dritte Verbandlage klammert theoretisch vier Steine der untersten Lage.

Mit der beschriebenen Formänderung des Steines 22 gegenüber dem Stein 20 wurden im gesamten Gitter-25 werk gleichmässigere Querschnitte erzielt , die eine gleichmässige Konvektion und Strahlung und somit einen -optimalen Wärmeübergang im gesamten Gitterwerk gewährleistet. Die angestrebte Turbulenz kommt in allen Durchgangskanälen in jeder Steinlage zum Tragen, d.h., 30 sie gilt nun für die gesamte Heizfläche, wodurch ein besserer Wirkungsgrad des Gitterwerks erreicht j wird. Da nun alle Lagen in den einzelnen Besatzstein- I zonen im Verband gesetzt werden können , ergibt sich eine bessere Stabilität des Gitterwerks. Durch die 35 Arretierung mittels vorgefertigten Kugeln, bzw.

plastischen Stopfen wird ein Verschieben der Steine untereinander vermieden.

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Bei der Variante gemäss Figuren 9a und 9b ist jeder Stein 20 entweder an der Oberseite oder an der Unterseite mit zwei Rillen 28, 30 , versehen, welche sich jeweils über die Gesamtlänge eines jeden Balken-5 kreuzes 11, 12, erstrecken und demgemäss die Vertikalkanäle miteinander verbinden. Der Querschnitt der Rillen 28, 30 , ist vorzugsweise halbkreisförmig, mit einer Tiefe von etwa 10 mm. Durch diese Rillen . wird erreicht, dass das Verbrennungsgas oder der 10 Kaltwind beim konvektiven Wärmeaustausch mit den

Steinen die Lagen horizontal durchströmen kann wodurch die Wärmeaustauschfläche im Gitterwerk vergrössert und der Wirkungsgrad dementsprechend gesteigert wird.

In der in den Figuren 10a und 10b gezeigten Ab-15 änderung der Variante gemäss den Figuren 9a und 9b sind drei Rillen 30, 31a und 31b vorgesehen, wobei eine Rille 30 in der Längsrichtung eines der Balkenkreuze des Gittersteins 20 verlauft und die beiden anderen Rillen 31a und 31b parallel hierzu sich quer zum anderen 20 Balkenkreuz erstrecken. Die Rillen 28, 30, 31a und 31b können entweder an der Oberseite oder an der Unterseite des Gittersteins 20 vorgesehen werden ; vorzugsweise sind alle Rillen tiefengleich.

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Claims

1. Gitterstein für die Ausgitterung senkrechter 5 Winderhitzer mit zueinander parallelen Ober-und Unterseiten und einer Anzahl, diese beiden Seiten verbindenden Aussparungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stein (20,22) eine in ein Quadrat diagonal eingeschriebene Kreuzform aufweist, mit zwei Kreuzbalken 10 (11, 12) unterschiedlicher Breite und gleicher Länge, mit vier jeweils in den Kreuzspitzen symmetrisch ange-ordneben Aussparungen (13, 14, 15, 16) rechteckigen Querschnitts, wobei sowohl die Achsen der Aussparungen wie auch die Längsachsen der rechteckigen Querschnitte 15 der Aussparungen zueinander parallel sind und mit einer weiteren zentral angeordneten Aussparung (17) rechteckigen Querschnitts dessen Längsseiten jedoch senkrecht zu den Querschnittslängsseiten der äusseren Aussparungen (13, 14, 15, 16) sind.

2. Gitterstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzspitzen in der Weise unter einem Winkel von 45° abgestumpft sind, dass die daran anschliessenden Seitenflächen (11a, 11b, 11c, lld ) des breiteren Kreuzbalkens (11) länger sind als die 25 Seitenflächen (12a, 12b, 12c, 12d ) des schmaleren Kreuzbalkens (12) und dass die Wandstärken um die Aussparungen (13, 14, 15, 16, 17 ) unterschiedlich sind (Figur 2a).

3. Gitterstein nach Anspruch 1, dadurch qekenn-30 zeichnet, dass die Kreuzspitzen in der Weise unter einem Winkel von 45° abgestumpft sind, dass die daran anschliessenden Seitenflächen beider Kreuzbalken gleichlang sind und die Wandstärken um die Aussparungen ebenfalls gleichgross sind ( Figur 6a),

4. Gitterstein nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober-und die Unterseite des Steins (20, 22) mit Kugeln oder Massestopfen (25, 26) gefüllte Ausnehmungen (23, 24) I aufweisen.

5. Gitterstein nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet/ dass jeder Stein ( 20 bzw, 22 ) entweder an der Oberseite oder an der Unterseite mit 5 zwei Rillen ( 28, 30 ) versehen ist, welche sich jeweils über die Gesamtlänge eines jeden Balkenkreuzes ( 11, 12 ) erstrecken.

6. Gitterstein nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stein ( 20 bzw. 22 ) 10 entweder an der Oberseite oder an der Unterseite mit drei parallel verlaufenden Rillen ( 30, 31a, 31b ) versehen ist, wovon eine ( 30 ) sich in' der Längsrichtung eines Balkenkreuzes ( 11 ) und die beiden anderen ( 31a, 31b ) sich in der Querrichtung des anderen Balkenkreuzes ( 12 ) 15 des Gittersteins ( 20 bzw. 22 ) erstrecken.

7. Ausgitterung eines senkrechten Winderhitzers, der einen stehenden Schacht aufweist mit einer oder mehreren übereinander angeordneten, von dem den Gitterbesatz aufheizenden Brenngas bzw. von dem durch den 20 Besatz aufzuheizenden Wind durchströmten Besatzsteinzonen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Gittersteinen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 besteht.

8. Ausgitterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Steine ( 20, 22 ) lagen-25 förmig aufeinander gelegt sind, und sowohl die Aussparungen wie auch die Einschnitte zwischen den Kreuzbalken und die abgestumpften Kreuzbalkenspitzen vertikal durchgehende Kanäle bilden.

9. Ausgitterung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-30 zeichnet, dass die einzelnen Steine ( 20, 22 ) der einzelnen Lagen genau übereinander liegen und von zwei übereinanderliegenden Steinen der eine um 90° gegenüber dem anderen verdreht ist und wobei die Nachbarsteine in den gleichen Lagen einander gegenüber lageverkehrt sind 35 ( Figur 3 ).

10. Ausgitterung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Steine ( 20, 22 ) der einzelnen Lagen genau übereinander liegen und auch gleich- //> m • · I gerichtet sind, und dass die Nachbarsteine in den gleichen Lagen einander gegenüber lageverkehrt sind ( Figur 4 ).

11. Ausgitterung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- 5 zeichnet, dass die Steine ( 20, 22 ) der einzelnen Lagen I derart im Verband angeordnet sind, dass jeder Stein einer I Lage über dem Eckpunkt von vier Nachbarsteinen der darunterliegenden Lage angeordnet ist ( Figur 5 ).

12. Ausgitterung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- 10 zeichnet, dass die Steine ( 20, 22 ) der einzelnen I Lagen derart im Verband angeordnet sind, dass jeder Stein einer Lage über zwei Nachbarsteinen einer unteren Lage I und unter zwei NachBarsteinen einer oberen Lage liegt, wobei die Nachbarsteine der unteren Lage in einer Reihe I 15 liegen welche senkrecht zur Reihe ist, in welcher die Nachbarsteine der oberen Lage liegen ( Figur 8 ).

13. Ausgitterung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- I zeichnet, dass die Nachbarsteine in der gleichen Lage I einander gegenüber lageverkehrt sind.

14. Ausgitterung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- I zeichnet, dass die Nachbarsteine in der gleichen Lage I gleichgerichtet sind ( Figur 8 ).