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Strahlungsrekuperator Strahlungsrekuperatoren, d. h. Rekuperatoren,
in denen das wärmeabgebende Gas (im folgenden auch kurz »Gas« genannt) seine Wärme
überwiegend durch ultrarote Gasstrahlung an das wärmeaufnehmende Gas (im folgenden
auch »Luft« genannt) abgibt, sind in Fällen, in denen es nicht auf den Wirkungsgrad
ankommt und in denen es sich nicht um zu große Luftmengen handelt, Konvektionsrekuperatoren
wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen Überhitzungen und gegen Staubgehalt des Gases
sowie ihres fehlenden Druckverlustes auf der Gasseite überlegen.
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Diese Überlegenheit gilt aber nur so lange, wie die Belastung des
Rekuperators einigermaßen der Sollast entspricht. Bei starker Unterbelastung verschiebt
sich das Verhältnis der Wärmeübergangszahl des Gases zu der der Luft in unerträglicher
Weise. Denn die Gasstrahlung ist unabhängig von der Gasgeschwindigkeit, während
die Wärmeübergangszahl der Luft mit der 0,8-ten Potenz der Luftgeschwindigkeit abnimmt.
Ist a die Wärmeübergangszahl des Gases und x die Wärmeübergangszahl der Luft und
t und t' die Temperatur von Gas und Luft,. so ist die Wandtemperatur
des Rekuperators nach A. Schack, »Der industrielle Wärmeübergang«; 4. Auflage, 1953,
G1. 484,
Aus. dieser Gleichung folgt, daß _ im Extremfall, d. h., wenn die Wärmeübergangszahl
der Luft ä Null wird, die Wandtemperatur t, gleich der Gastemperatur t wird. Da
bei Strahlungsrekuperatoren normalerweise die Eintrittstemperatur des Gases 1100
bis 1200° C beträgt, würde also die Wandtemperatur des Rekuperators diese Temperatur
annehmen, was zur schnellen Zerstörung des Rekuperators führen würde.
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Nun werden die modernen Einsatzöfen, besonders die Tieföfen, von Temperaturreglern
in der Weise gesteuert, daß die Gasmenge mit steigender Temperatur des Ofens mehr
und mehr zurückgenommen wird, um bei Erreichung der Solltemperatur während der »Ausgleichszeit«
der Blöcke auf etwa 10°/o der Normalmenge und darunter zu kommen.
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In dieser Periode ist nun die Temperatur des in den Rekuperator eintretenden
Gases besonders hoch und damit die fast ganz auf Gasstrahlung beruhende Wärmeübergangszahl
a ebenfalls besonders hoch, während die auf reiner Konvektion beruhende Wärmeübergangszahl
der Luft auf den 100,8-ten Teil, d. h. auf 16°/o des Normalwertes abfällt. Das führt
bereits in die Nähe des oben angegebenen Extremwertes.
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Um allgemein eine verstärkte Kühlung des heißen Teiles zu erzielen,
sind einige Strahlungsrekuperatoren für solche Öfen in Gleichstromschaltung ausgeführt
worden, d. h., die kalte Luft tritt an dem heißen Ende des Rekuperators, wo auch
das Gas eintritt, ein. Wenn auch hierdurch keine vollständige Sicherheit erreicht
werden kann, wurden doch ausreichende Ergebnisse erzielt. Bei dieser Gleichstromschaltung
ist aber der Wirkungsgrad des Rekuperators besonders schlecht, weil entsprechend
dem Gleichstromprinzip die Abgastemperatur erheblich über der Vorwärmungstemperatur
der Luft liegt. Außerdem ist die Heizfläche groß, da die mittlere Temperaturdifferenz
Gas - Luft klein ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Strahlungsrekuperator zu erstellen,
der sich unter Aufrechterhaltung eines guten Wirkungsgrades sehr unterschiedlichen
Betriebsbedingungen anpassen kann, wie sie z. B. besonders Tieföfen verursachen,
wenn sie von Temperaturreglern gesteuert werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird für einen Strahlungsrekuperator, der vom
wärmeaufnehmenden Gas in dem am Eintritt des wärmeabgebenden Gases gelegenen Teil
im Gleich- und in dem am Austritt gelegenen Teil im Gegenstrom zum wärmeabgebenden
Gas durchströmt wird, gemäß der Erfindung vorgeschlagen, beide Teile in bezug auf
das wärmeaufnehmende Gas zueinander parallel zu schalten. Dadurch wird erreicht,
daß einerseits der am heißen Teil des Rekuperators eintretende Luftstrom die Wandtemperatur
dieses Teiles niedrig hält und andererseits durch den beim Gasaustritt eintretenden
Teil des Luftstromes die Abgase den Rekuperator mit geringerer Temperatur verlassen
als der erhitzte Luftstrom; die Vorteile eines Gleichstromrekuperators werden mit
den Vorteilen eines Gegenstromrekuperators verbunden.
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Einen diese Vorteile wahrenden, besonders zweckmäßigen und wenig aufwendigen
Aufbau erhält der Rekuperator, wenn er entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung
aus einem doppelwandigen
Zylindermantel besteht, dessen Innenraum
von dem wärmeabgebenden Gas durchströmt wird, während in dessen Ringraum an den
Enden je ein Strom des wärmeaufnehmenden Gases eintritt und beide Ströme in einem
ringförmigen Sammelkanal zusammentreffen und über eine gemeinsame Leitung abgeführt
werden.
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Durch das Zusammentreffen der beiden, aus entgegengesetzten Richtungen
strömenden, durch ihre Erwärmung in verschiedenen Rekuperatorteilen eventuell auf
unterschiedliche Temperaturen gebrachten Teilströme erfolgt eine sehr starke Verwirbelung
und Beströmung des Innenzylinders im Bereich des ringförmigen Sammelkanals. Damit
wird auch an der Stelle höchster Lufttemperatur noch eine intensive Kühlung des
Innenzylinders erzielt.
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Um Überhitzungen des Rekuperatorinnenmantels am heißen Ende auch in
Perioden zu verhindern, in denen die Kühlwirkung der Luft wegen ihrer geringen Wärmeübergangszahl
nicht mehr ausreicht - also z. B. wenn Tieföfen auf 10°/o oder weniger herabgeregelt
werden -, wird gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung vorgeschlagen, den
Außenmantel des Rekuperators am heißen Ende mit speicherfähigen, wärmeleitenden
Steinen zu ummauern. Statt der sonst üblichen Isolierung erhält das heiße Ende des
Gleichstromteiles eine Ummauerung aus Steinen mit möglichst hoher Temperaturleitzahl
und möglichst hohem Raumgewicht, also hohem Speichervermögen. Diese Steinschicht
kann dann außen noch besonders isoliert werden. Nimmt man beispielsweise einen Stein
von 125 mm Stärke mit dem noch nicht sehr hohen Raumgewicht 2000 kg/mg und der Wärmeleitzahl
R = 1,0 kcal/mh° C, Steine, die leicht zu erhalten sind, so ergibt die Rechnung,
daß für die Dauer von mehr als einer halben Stunde vom Mauerwerk je m2 eine Wärmemenge
aufgenommen wird, die von ähnlicher Größe ist wie die im Normalbetrieb übertragene.
Das bedeutet natürlich einen erheblichen Kühleffekt und damit einen Schutz des Rekuperators
bei unbeabsichtigten oder periodischen kurzzeitigen Überhitzungen. Der Wärmetransport
an die Steine erfolgt durch Strahlung vom Innenzylinder des Rekuperators über einen
Luftspalt, der von der inneren Wand der Steinmauer und der Außenwand des Innenzylinders
gebildet wird. Bei den in Frage kommenden Temperaturen ist diese Strahlung sehr
stark, so daß der Umstand, daß die wärmespeichernden Steine nicht unmittelbar am
Innenzylinder anliegen, ohne Belang ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt
dargestellt.
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Der Strahlungsrekuperator besteht aus den beiden konzentrischen, einen
Ringraum n einschließenden Zylindern a und b. Diese enden in den Sammelring-Kanälen
c, d, und e. Bei f tritt das heizende Feuergas in den Rekuperator ein und verläßt
ihn bei ä. Die kalte Luft wird in der Leitung h zugeführt, die sich in die Leitungen
i und j teilt, in denen die kalte Luft in die Ringkanäle c und e geleitet
wird. Somit tritt ein Teil der kalten Luft am heißen Ende des Gesamtrekuperators
ein, wodurch der Gleichstrom charakterisiert ist und ein Teil am kalten Ende, wodurch
der Gegenstrom charakterisiert ist. Die beiden Rekuperatorteile sind so bemessen,
daß beide die Luft auf die gewünschte Temperatur von z. B. 650° C vorwärmen. Die
beiden Luftströme treffen im Ringkanal d aufeinander, wobei eine starke Wirbelung
und damit eine intensive Berührung und Kühlung des Innenzylinders a im Bereiche
des Sammelkanals d erzielt wird. Die nun wiedervereinten und vermengten Luftströme
werden in der Heißluftleitung k zu den Brennern des Ofens geführt. Am heißen Ende
des Rekuperators sind sowohl der Verteilerkanal e als auch der Innenzylinder a von
der Mauer l aus Steinen mit hohem Speichervermögen umgeben, die durch die
Isolierungen gegenüber dem Außenzylinder b abgeschirmt ist. Die Mauer
L umschließt den Innenzylinder a in einem geringen Abstand, so daß
ein Kanal i2 mit schmalem, ringförmigem Querschnitt für den Durchfluß der Luft vom
Verteilerkanal zum Sammelkanal d entsteht.
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Zum Stand der Technik ist zu erwähnen, daß Strahlungsrekuperatoren
bekannt sind, bei denen der zu erhitzende Luftstrom ungeteilt zunächst im Gleichstrom
durch die gesamte Gassäule geführt und dann umgelenkt wird, um nun auch im Gegenstrom
zum Gasstrom Wärme aufzunehmen. Solche Rekuperatoren erfordern einen sehr erheblichen
Aufwand und kühlen den Strahlungszylinder nur unzureichend, da die Kaltluft in Rohren
geführt ist und folglich die Wanddung des Strahlungszylinders nicht unmittelbar
beströmt.
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Ferner ist es bei einem Konvektionsrekuperator bekannt, dem die Kaltluft
am kühleren Ende zugeführt wird, einen Teil der Kaltluft abzuzweigen und dem heißen
Ende für die Kühlung des Rohrbodens der das Heizgas führenden Rohre zuzuführen.
Der Rohrboden besteht hierbei aus zwei Platten, die einen Hohlraum einschließen,
durch den die Rohrenden hindurchgeführt sind und durch den die kalte Luft strömt.
Der hierbei vorgewärmte Luftstrom kann zwecks weiterer Vorwärmung mit dem Hauptluftstrom
wiedervereinigt werden, zweckmäßig an einer Stelle des Rekuperators, an der beide
Luftströme auf ungefähr gleiche Temperaturen vorgewärmt sind. Diese Ausführung hat
nichts mit dem Grundgedanken des Erfindungsgegenstandes zu tun, bei einfacher Bauweise
-die Vorteile der Luftführung im Gleich-und Gegenstrom beizubehalten und eine Überhitzung
des heißen Rekuperatorendes selbst unter ungünstigen Betriebsbedingungen zu vermeiden.