DE1040733B

DE1040733B - Radiation recuperator

Info

Publication number: DE1040733B
Application number: DER9507A
Authority: DE
Original assignee: REKUPERATOR K G DR ING SCHACK
Current assignee: REKUPERATOR K G DR ING SCHACK
Priority date: 1952-07-19
Filing date: 1952-07-19
Publication date: 1958-10-09

Description

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.Radiation recuperator The invention relates to a radiation recuperator, in which the heating gas flows through a jacketed, preferably cylindrical space, through which the high. Air or other gases to be heated by connected in parallel Pipes is directed. The mouths of the pipes are connected to a common distribution pipe and connected to a collecting duct. It is based on the task of a recuperator to create, which allows the use of heating gases of such high temperature, which give off their heat mainly through radiation. Further demands exist therein, once the air or the other medium to be heated in large quantities and to run under high pressure through the recuperator, and on the other hand the recuperator to make its structure as simple as possible in order to achieve the required operational safety to achieve and to keep the construction costs low.

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.The known recuperators, which essentially consist of two concentric arranged cylinders exist, through whose space the air flows while the heating gases flow through the inner cylinder and their heat mainly through Emit radiation, do not meet these requirements, if the air with significant Pressure must be passed through the recuperator because then the required wall thickness the cylinder would have to be uneconomically high.

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.It is already known a heat exchanger in which the heat dissipating Medium is led in parallel pipes, which with their mouths to a common manifold and connected to a collecting duct arranged parallel to it are. Spanning the pipe loops connecting the distributor pipe and the collecting duct only an angle of 90 °, so that the deformable under the influence of temperature Coiled pipe is relatively kTin. This results in high thermal stresses at the connection points of the pipes at the distributor or. Collection vessel.

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.According to the invention it is proposed that the heating gases flow through Shaft through parallel ge. switched, returning transversely to the recuperator axis To form pipe loops and the manifold and the collecting duct on the same To arrange shaft side. In addition to the essential advantage that this makes it possible to compensate from thermal expansions deformable pipe length reaches the maximum size, can the shaft masonry can only be provided with a single recess, which is both the collecting vessel as well as the manifold accommodates. Another benefit is this given that the inlet and outlet for the heat-absorbing gas on one side of the recuperator, which in individual cases is a space-saving overall arrangement enables.

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.In order to achieve an even distribution of the air on the pipes, is the inflow and outflow in a known manner at opposite ends of Manifold and manifold connected. The diameter of the pipes is hotter Larger at the end of the recu_pera.tor than at the colder.

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.The loop-shaped or circularly curved tubes are replaced by vertical ones Support. supported on each other, the distance between which is smaller on the hotter parts than on the colder parts. The supports can according to a further feature of the invention made of ceramic building materials, such as porcelain.

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.To reduce the thermal stresses at the connection points between the pipes and the manifold or to keep the collecting pipe as small as possible, is further proposed according to the invention, the manifold- lind to create the manifold from a building material that has a ho = has a higher coefficient of thermal expansion than the material. the pipe and / or the Support. The invention is explained in more detail below with reference to the drawing: Fig. 1 shows a vertical section through the recuperator, Fig. 2 shows a cross section again.

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. _ 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.The ends of the circularly curved heating pipes c are welded into the distribution pipes b and e. The air to be preheated flows in. a enters the distributor pipe e, passes through the heating pipes c connected in parallel and the collector pipe b and leaves the pre-heated = heats the recuperator at d. The heating gas flows out of the channel g into the space k enclosed by the pipes c past the circular displacement plate i into the chimney h. j- is the outer casing of the recuperator. If now, as usual, in similar cases the cross-section of the distribution pipes b and e were to be the same or - in view of the smaller friction losses, even smaller than the sum of the cross-sections of the connected pipes c, this would result in an uneven loading of these pipes. In the vicinity of the inlet openings, the pipes c would receive a larger amount of air than at the more distant points, in which a reduced pressure gradient is available due to the friction loss of the inlet or outlet line. To avoid this, two measures are provided according to the invention, each of which can be taken individually or together. If the cross-section of the header pipes b and e were infinitely large, the loading of the heating pipes would be completely uniform, since the same static pressure prevailed everywhere in the header pipes and there would be no unfavorably directed dynamic pressure. From this consideration it follows that it is advantageous to make the cross-section of the header pipes b and e large compared to the sum of the cross-sections of the connected circular heating pipes c.

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.There is, however, a second way of making the application of the heating pipes c uniform, namely by placing the air supply at the opposite end of the collecting pipe than the drain. According to Fig. 1, the air flows into the manifold e at the top at a and leaves the manifold b at the bottom at d. With this arrangement, the pressure loss in the manifolds can be as high as desired. It only has to be the same for each unit of length of the collecting pipe. A consideration then shows that the pressure difference prevailing at each sectional plane of the two header pipes is the same and accordingly the amount of air flowing through the heating pipes is also the same everywhere.

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.The design described so far is characterized in that the Heating pipes relatively short and in relation to the known cylindrical ones Tube coils are actually very short. This enables the use of high air speeds in the tubes, connected with small diameters, both of which lead to a high coefficient of heat transfer leads. If at the same time the gas velocity in the cylindrical cavity h is small is held, which is of course very easily possible, so one has on the air side a very high heat transfer coefficient and on the gas side one despite the radiation low, which leads to the desired low pipe wall temperature. Therefore, will According to the invention, the recuperator designed so that at least the pipes in the eight times, preferably fifteen times the speed (all information on the Normal volume of 4 ° C, based on 760 mm Hg) as in the cylindrical cavity.

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.The heating pipes e are advantageously introduced radially into the header pipes and welded. According to the invention, this can be carried out particularly easily and cheaply, by reversing the natural position of the two header pipes and the heating pipes c before introducing crosses as indicated in the figure. However, it is too possible to connect the heating pipes without crossing, the pipe ends then open directly into the manifolds. The pipe circuit is not completely closed.

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.In. The recuperator is in the form of heat transfer practically switched in cross flow. In order to prevent the pipes on the The hot end of the device will generate significantly hotter air than at the cold end and thus become too hot, pipes with a larger diameter are installed at the hot end than on the colder. This achieves that because of the same pressure difference at the pipe ends more air flows through the hotter but larger pipes and only is preheated just as high as at the cold end.

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.The pipes c must be held in a suitable manner. You can z. B. hold in the masonry or by a special scaffold. Both options but are associated with particular difficulties because the masonry is not expands to the same extent as the pipe system and because it is a special framework on the one hand covers the heating surface and on the other hand burns easily. That is why the pipes supported against each other by spacers f. There is pressure through the supports exerted on the pipes. The pressure is also increasing below and can affect the high temperatures lead to deformation of the lower very hot tubes. According to the invention therefore the number of supports increases towards the hot part of the recuperator, their distance decreases accordingly. Even after the hot end of the circular tubes the distance between the supports decreases.

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.To further protect the hot pipes, the foot or the Connection surface of the supports on the hot pipes are kept wider than on the colder pipes. This counteracts the local deformation of the hot pipes. On the other hand, the impairment of the heating surface of the pipes by the support feet kept as small as possible because the widening only occurs on the hot pipes he follows.

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.When the recuperator is in operation, the supports f and the pipes e are hotter than the header pipes b and e and therefore expand more overall. In order to largely avoid corresponding stresses and deformations, according to the invention, the header pipes are made of a steel with a higher coefficient of thermal expansion than the heating pipes and the supports, e.g. B. the collecting pipes made of austenitic chromium-nickel steel and the heating pipes and supports made of ferritic chromium-silicon steels, so that the expansion coefficients are approximately 1.5 to 1.

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.The expansion of the supports f can practically be completely avoided, if you have this made of ceramic material, for. B. porcelain manufactures. These too Supports are placed closer to the harsher parts of the pipes than to the colder parts Share.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Radiation kuperatoz, where the heating gas comes through a jacketed, preferably cylindrical space flows in which the highly heated Air or other gases through. pipes connected in parallel is conducted that rides their mouths to a common manifold and to. one arranged parallel to it Collecting duct are connected; characterized in that that of the heating gas Flow through the shaft (K) through the side seen parallel, at right angles to the recuperator axis lying, returning pipe loops. (c) is formed, the manifold (e) as well as the Samrn & kanal (b). are arranged on the same side of the shaft.

2. Recuperator according to claim 1, characterized in that in order to achieve a uniform distribution the air on the tubes (c) to reach the inflow and the outflow of air in a manner known per se at opposite ends of Manifold and manifold takes place.

3. recuperator according to claim 1, characterized in that that the diameter of the tubes (c) at the hotter end of the recuperator is greater than at the colder bz, w. on the hotter stalls of the recuperator is larger than on dien colder.

4. Recuperator according to claim 1, characterized in that the loop-shaped or circularly curved tubes supported on one another by vertical supports whose distance on the hotter parts is less than on the. colder divider.

5. RekuperatoT according to claim. 4, characterized by supports made of ceramic building materials, z. B. porcelain.

6. recuperator according to claim 1, characterized in that the da.ß Manifold and the collecting pipe consist of a building material, the one. higher coefficients of thermal expansion has as the material of the pipes and / or the supports. Considered publications: French Patent Nos. 516 599, 898 090, 834 252; U.S. Patent No. 2,538,466; W, Gumz, "DieL.uftvo@rwärrnungimDampfkeLssedbetrieb", Leipzig 1933, p. 171 to 173.