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Strahlungsrekuperator Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsrekuperator,
bei dem das Heizgas durch einen ummantelten, vorzugsweise zylindrischen Raum strömt,
durch den die hoch. zu erhitzende Luft oder sonstige Gase durch parallel geschaltete
Rohre geleitet wird. Die Rohre sind mit ihren Mündungen an ein gemeinsames Verteilerrohr
und an einen Sammelkanal angeschlossen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rekuperator
zu schaffen, der die Verwendung von Heizgasen solcher hoher Temperatur gestattet,
die ihre Wärme überwiegend durch Strahlung abgeben. Weitere Forderungen bestehen
darin, einmal die Luft oder das sonstige zu erhitzende Medium in großer Menge und
unter hohem Druck durch den Rekuperator zu führen, und zum anderen den Rekuperator
in seinem Aufbau so einfach wie möglich zu gestalten, um die erforderliche Betriebssicherheit
zu erreichen und die Erstellungskosten gering zu halten.
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Die bekannten Rekuperatoren, die im wesentlichen aus zwei konzentrisch
angeordneten Zylindern bestehen, durch -deren Zwischenraum die Luft strömt, während
die Heizgase durch den Innenzylinder strömen und ihre Wärme hauptsächlich durch
Strahlung abgeben, erfüllen diese Forderungen nicht, wenn die Luft mit nennenswertem
Druck durch den Rekuperator geführt werden muß, weil dann die erforderliche Wandstärke
der Zylinder unwirtschaftlich hoch sein müß te.
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Es ist bereits ein Wärmeaustauscher bekannt, bei dem das wärmeabgebende
Medium in parallel geschaltete Rohre geführt ist, die mit ihren Mündungen an ein
gemeinsames Verteilerrohr und an einem parallel dazu angeordneten Sammelkanal angeschlossen
sind. Die das Verteilerrohr und den Sammelkanal verbindenden Rohrschleifen umspannen
nur einen Winkel von 90°, so daß die durch Temperatureinflüsse verformungsfähige
Rohrschlange relativ kTin ist. Dadurch bedingt ergeben sich hohe Wärmespannungen
an den Verbindungsstellen der Rohre beim Verteiler-bzw. Sammelgefäß.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den von den Heizgasen durchströmten
Schacht durch parallel ge. schaltete, quer zur Rekuperatorachse liegende, zurückkehrende
Rohrschleifen zu bilden und das Verteilerrohr sowie den Sammelkanal an derselben
Schachtseite anzuordnen. Neben dem wesentlichen Vorteil, daß dadurch die zum Ausgleich
von Wärmedehnungen verformungsfähige Rohrlänge die maximalste Größe erreicht, kann
das Schachtmauerwerk nur mit einer einzigen Aussparung versehen werden, die sowohl
das Sammelgefäß als auch das Verteilerrohr aufnimmt. Ein weiterer Vorteil ist dadurch
gegeben, daß die Zu- und Ableitung für das wärmeaufnehmende Gas auf einer Seite
des Rekuperators liegen, was in einzelnen Fällen eine platzsparende Gesamtanordnung
ermöglicht.
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Um eine gleichmäßige Verteilung der Luft auf die Rohre zu erreichen,
ist der Zu- und Abfluß in an sich bekannter Weise an entgegengesetzten Enden von
Verteilerrohr und Sammelrohr angeschlossen. Der Durchmesser der Rohre ist -am heißeren
Ende des Reku_ pera.tors größer als am kälteren.
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Die schleifenförmig bzw. kreisförmig gebogenen Rohre sind durch senkrechte
Stützen. aufeinander abgestützt, deren Abstand an den heißeren Teilen geringer ist
als an den kälteren Teilen. Die Stützen können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
aus keramischen Baustoffen, beispielsweise Porzellan, erstellt sein.
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Um die Wärmespannungen an den Verbindungs stellen der Rohre mit dem-Verteiler-
bzw. Sammelrohr möglichst klein zu halten, wird weiterhin erfindungs-' gemäß vorgeschlagen,
das Verteiler- lind das Sammelrohr aus einem Baustoff zu erstellen, der einen ho=
heren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das. Material. der Rohr und/oder der
Stützen. , Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert:
Abb. 1 stellt einen senkrechten: Schnitt durch den Rekuperator dar, Abb. 2 gibt
einen Querschnitt wieder.
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In die Verteilerrohre b und e sind die Enden der kreisförmig gebogenen
Heizrohre c eingeschweißt-Die vorzuwärmende Luft strömt bei. a in das Verteilerrohr
e ein, durchläuft _die-parallel geschalteten Heizrohre c und das Sammelrohr b und
verläßt vorge= wärmt den Rekuperator bei d. Das heizende .Gas strömt aus dem Kanal
g In den von den Rohren c umschlossenen Raum k an der kreisförmigen Verdrängerplatte
i vorbei in den Schornstein h. j- ist die äußere Ummantelung des Rekuperators.
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Wenn nun, wie üblich, in ähnlichen Fällen der Querschnitt der
Verteilerrohre b und e gleich oder - mit Rücksicht auf die kleineren Reibungsverlustesogar
kleiner als die Summe der Querschnitte der angeschlossenen Rohre c ausgeführt würde,
so würde sich eine ungleichmäßige Beaufschlagung dieser Rohre ergeben. In der Nähe
der Eintrittsöffnungen würden die Rohre c eine größere Luftmenge erhalten als an
den entfernteren Stellen, in denen durch den Reibungsverlust der Zu- oder Ableitung
ein verringertes Druckgefälle zur Verfügung steht. Um dies zu vermeiden, werden
erfindungsgemäß zwei Maßnahmen vorgesehen, die jede für sich oder zusammen getroffen
werden können. Wenn der Querschnitt der Sammelrohre b und e unendlich
groß wäre, so wäre die Beaufschlagung der Heizrohre vollkommen gleichmäßig, da in
den Sammelrohren überall der gleiche statische Druck herrschte und kein etwa ungünstig
gerichteter dynamischer Druck vorhanden wäre. Aus dieser Überlegung folgt die Erkenntnis,
daß es vorteilhaft ist, den Querschnitt der Sammelrohre b und e groß gegen die Summe
der Querschnitte der angeschlossenen kreisförmigen Heizrohre c zu machen.
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Es gibt aber noch einen zweiten Weg, die Beaufschlagung der Heizrohre
c gleichmäßig zu gestalten, und zwar indem man den Luftzufluß an das entgegengesetzte
Ende des Sammelrohres legt wie den Abfluß. Nach Abb. 1 strömt dementsprechend die
Luft oben bei a in das Sammelrohr e ein und verläßt unten bei d
das
Sammelrohr b. Bei dieser Anordnung darf der Druckverlust in den Sammelrohren beliebig
hoch sein. Er muß nur je Längeneinheit des Sammelrohres gleich sein. Dann zeigt
eine Überlegung, daß die an jeder Schnittebene der beiden Sammelrohre herrschende
Druckdifferenz gleich groß und demnach auch die durch die Heizrohre strömende Luftmenge
überall gleich groß ist.
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Die bisher geschilderte Bauart zeichnet sich dadurch aus, daß die
Heizrohre verhältnismäßig kurz und im Verhältnis zu den bekannten zylindrischen
Rohrschlangen sogar sehr kurz sind. Das ermöglicht die Anwendung hoher Luftgeschwindigkeit
in den Rohren, verbunden mit kleinen Durchmessern, was beides zu einer hohen Wärmeübergangszahl
führt. Wenn gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit im zylindrischen Hohlraum h klein
gehalten wird, was natürlich sehr leicht möglich ist, so hat man auf der Luftseite
eine sehr hohe Wärmeübergangszahl und auf der Gasseite eine trotz der Strahlung
niedrige, was zu der erwünschten niedrigen Rohrwandtemperatur führt. Deshalb, wird
erfindungsgemäß der Rekuperator so ausgeführt, daß in den Rohren mindestens die
achtfache, vorzugsweise die fünfzehnfache Geschwindigkeit (alle Angaben auf das
Normalvolumen von 4° C, 760 ,mm Hg bezogen) wie im zylindrischen Hohlraum ist.
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Die Heizrohre e werden vorteilhaft radial in die Sammelrohre eingeführt
und eingeschweißt. Das läSt sich erfindungsgemäß besonders leicht und billig durchführen,
indem man die natürliche Lage der beiden Sammelrohre vertauscht und die Heizrohre
c vor der Einführung kreuzt, wie in der Abbildung angegeben. Es ist jedoch auch
möglich, die Heizrohre ohne Kreuzung anzuschließen, die Rohrenden münden dann unmittelbar
in die Sammelrohre. Der Rohrkreis ist nicht völlig geschlossen.
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In. der geschilderten Form ist der Rekuperator wärmeübergangsmäßig
praktisch im Kreuzstrom geschaltet. Um hierbei zu verhindern., da.ß die Rohre am
heißen Ende des Apparates eine wesentlich heißere Luft erzeugen als am kalten Ende
und damit zu heiß werden, werden am heißen Ende Rohre mit größerem Durchmesser eingebaut
als am kälteren. Hierdurch wird erreicht, daß wegen der gleichen Druckdifferenz
an den Rohrenden mehr Luft durch die heißeren, aber größeren Rohre strömt und nur
ebenso hoch vorgewärmt wird wie am kalten Ende.
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Die Rohre c müssen in geeigneter Weise gehalten werden. Man kann sie
z. B. im Mauerwerk oder durch ein besonderes Gerüst halten. Beide Möglichkeiten
sind aber mit besonderen Schwierigkeiten verbunden, weil das Mauerwerk sich nicht
im gleichen Maße ausdehnt wie das Rohrsystem und weil ein besonderes Gerüst einesteils
die Heizfläche abdeckt und andernteils leicht verbrennt. Deshalb werden die Rohre
gegeneinander durch Abstandsstücke f abgestützt. Durch die Stützen wird ein Druck
auf die Rohre ausgeübt. Der Druck nimmt auch unten immer mehr zu und kann bei den
hohen Temperaturen zur Verformung der unteren sehr heißen Rohre führen. Erfindungsgemäß
nimmt deshalb die Zahl der Stützen nach dem heißen Teil des Rekuperators hin zu,
ihr Abstand nimmt entsprechend ab. Auch nach dem heißen Ende der kreisförmigen Rohre
hin nimmt der Abstand der S_ tützen ab.
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Zur weiteren Schonung der heißen Rohre kann auch der Fuß bzw. die
Anschlußfläche der Stützen an den heißen Rohren breiter gehalten werden als an den
kälteren Rohren. Dadurch wird der örtlichen Verformung der heißen Rohre entgegengewirkt.
Andererseits wird die Beeinträchtigung der Heizfläche der Rohre durch die Stützfüße
so gering wie möglich gehalten, weil die Verbreiterung nur an den heißen Rohren
erfolgt.
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Beim Betrieb des Rekuperators sind die Stützen f lind die Rohre e
heißer als die Sammelrohre b und e und dehnen sich deshalb insgesamt stärker aus.
Um hierdurch entsprechende Spannungen und Verformungen weitgehend zu vermeiden,
werden erfindungsgemäß die Sammelrohre aus einem Stahl mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient
hergestellt als die Heizrohre und die Stützen, z. B. die Sammelrohre aus austenitischem
Chrom-Nickel-Stahl und die Heizrohre und Stützen-aus ferritischen Chrom-Silizium-Stählen,
so da@ß sich die Ausdehnungskoeffizienten ungefähr wie 1,5 zu 1 verhalten.
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Die Ausdehnung der Stützen f kann praktisch ganz vermieden werden,
wenn man diese aus keramischem Material, z. B. Porzellan, herstellt. Auch diese
Stützen werden an den heifferen Teilen der Rohre enger gesetzt als an den kälteren
Teilen.