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Erhitzer für Flüssigkeiten, die höher sieden als -Wasser und die als
Wärmeüberträgerverwendet werden Zur indirekten Beheizung von Wärmeverbrauchern,
u. dgl., bei welchen hohe Temperaturen von z. B. 150 bis 375° C nötig sind, werden
als Wärmeträger an Stelle von Wasser höhersiedende Flüssigkeiten verwendet, welche
neben guten wärmetechnischen Eigenschaften bei der maximalen Verwendungstemperatur
nur geringen Dampfdruck (bis zu etwa 10 atü) aufweisen. Hierfür geeignete Flüssigkeiten
sind beispielsweise: Diphenyl, Diphenyloxyd und deren Gemische, chloriertes Diphenyl,
Kieselsäureester, Mineralölfraktionen, niedrigschmelzende Metalle oder Legierungen,
Salze od. dgl.
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Die meisten flüssigen Wärmeträger erfordern die Einhaltung einer maximalen
Betriebstemperatur. Wird diese maximale Verwendungstemperatur überschritten, dann
kann eine thermische Zersetzung des Wärmeträgers eintreten, welche diesen unbrauchbar
macht, oder es können Korrosionen an Leitungen und Behälterwänden eintreten. Dadurch
werden die Heizflächen verschmutzt oder zerstört, so daß die Wärmeübertragung abnimmt
bzw. aufhört. Für die Übertragung der Wärme vom Heizmittel auf den Wärmeträger ist
deshalb wichtig, daß die höchstzulässige Verwendungstemperatur des letzteren mit
Sicherheit nicht überschritten wird.
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Bisher wurden für das Erhitzen bzw. Verdampfen solcher Wärmeträger
mit Öl, Gas oder festen Brennstoffen geheizte Heizsysteme verwendet, die dem Wasserdampfkesselbau
entlehnt sind und aus mehr oder weniger stark gekühlten Brennkammern in starkem,
wärmespeicherndem Mauerwerk mit nachgeschalteter Konvektionszone und mehrfacher
Umlenkung der Rauchgase bestehen. Die unsymmetrische Flammen- und Rauchgasführung
dieser Systeme ergibt eine unterschiedliche Wärmebelastung der Heiz-: Päche, und
die hohe Wärmespeicherung im Mauerwerk verursacht bei Schwankungen oder Unterbrechungen
der Wärmeentnahme durch eine zu hohe Wärmestrahlung auf die Heizflächen eine überhitzung
des Wärmeträgers. Hinzu kommen noch lange Aufheizzeit, lange Abkühlzeit und ein
unter normalen Bedingungen schlechter Wirkungsgrad.
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Es ist auch bekannt, die Wände von Dampfkesseln mit Rohren oder Rohrelementen
auszukleiden, durch die das zu verdampfende Wasser hindurchgeführt wird. Auch diese
bekannten Konstruktionen enthalten wärmespeichernde Teile, insbesondere Auskleidungen
aus feuerfestem Mauerwerk, welche beim Abstellen der Zirkulation des Wärmeträgers
trotz gleichzeitigem Abstellen der Heizung zu einer weiteren Erhitzung des Rohrinhalts
führen. Ein Feuerbett aus festen Brennstoffen; welches mit den zu erhitzenden Rohren
in unmittelbarer Berührung steht, wirkt ebenfalls als Wärmespeicher und belastet
die- Heizfläche ungleichmäßig. Die Konstruktionsgrundsätze des Dampfkesselbaues
sind deshalb auf die Erhitzung flüssiger Wärmeträger nicht anwendbar Zur Erhitzung
oder Verdampfung von Flüssigkeiten sind Erhitzer vorgeschlagen worden, deren Verbrennungskammer
von zweikonzentrischen Ringkammern mit Wänden aus Blech und schmalem Durchtrittsquerschnitt
für die von einer Pumpe geförderte zu erhitzende Flüssigkeit umgeben ist. Jeweils
auf einer Innenwand der Ringkammern sind schraubenlinienförmige Leitrippen angebracht.
Der Brenner ist in der Achse der- Brennkammer angeordnet.
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Gegenstand der Erfindung ist ein geschlossener Wärmeaustauscher, in
welchem ein flüssiger, höher als Wasser siedender Wärmeträger, der bei hohen Temperaturen
einen geringen Dampfdruck hat und ohne wesentliche Verdampfung im Zwangsumlauf durch
einen Erhitzer geführt .wird, mit einem von wärmespeichernden Teilen freien Erhitzer,
dessen Wände im wesentlichen aus den Wärmeträger führenden Hohlelementen bestehen
und eine Brennkammer umschließen, in deren Achse ein Brenner angeordnet ist.
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Der Erhitzer besteht zweckmäßig aus Brennkammer und Konvektionszone.
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Erfindungsgemäß sind die Brennkammerwände des Erhitzers aus nahtlosen
Rohren, z. B. aus ein- oder mehrgängigen Stahlrohren gewickelt, wobei die einzelnen
Rohrwindungen dicht aufeinanderliegen. Dabei kann es zweckmäßig sein, zwischen je
zwei Rohrwindungen einen Füllstab einzuwickeln, etwa derart,
daß
der Füllstab seitlich außen in dem keilförmigen Raum zwischen zwei Rohrwindungen
liegt. Durch Spannbänder können dabei die Rohrwindungen aufeinandergepreßt werden.
Dadurch entsteht ein fester Hohlkörper, dessen Inneres die Brennkammer bildet, Die
Heizung erfolgt durch heiße Verbrennungsgase, z. B. durch eine in der Mitte der
Brennkammer senkrecht von unten nach oben brennende Flamme, welche die Brennkammerwand
möglichst nicht berühren soll. Infolge der konzentrischen Anordnung der Flamme nimmt
jedes Flächenteilchen der Brennkammerwand in einem horizontalen Schnitt die gleiche
Wärmemenge auf.
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Der Erhitzer enthält auch eine Konvektionszone, welche vorteilhaft
in an sich bekannter Weise am oberen Ende der Brennkammer angeordnet ist und von
den Heizgasen ohne wesentliche Änderung ihrer Strömungsrichtung durchzogen wird.
Die Konvektionszone besteht zweckmäßig aus einer Reihe hintereinandergeschalteter
ein- oder mehrgängiger Rohrspiralen, welche zur Brennkammer konzentrisch und symmetrisch
angeordnet sind, so daß eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf die Rohrwände und
damit eine gleichmäßige Wärmeaufnahme durch den in den Rohren strömenden Wärmeträger
erfolgt. Die Konvektionszone ist z. B. mit einem Gehäuse, zweckmäßig aus zunderfestem
Werkstoff, umgeben.
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Der Erhitzer kann gegen Wärmeabstrahlung durch eine leichte Stopfisolierung,
z. B. aus Schlacken- oder Glaswolle, geschützt sein, die auf der Außenseite der
Brennkammerwand angeordnet sein kann, deren Wärmespeicherung vernachlässigbar gering
ist. Sie ist in dieser Beziehung gänzlich ohne Einfluß, wenn die ganze Wandung der
Brennkammer von dem flüssigkeitsdurchströmten Mantel od. dgl. gebildet wird und
die Konvektionszone in dem vom Mantel umschlossenen Raum angeordnet wird.
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Das Anfangsvolumen des Wärmeträgers dehnt sich bis zum Erreichen der
Arbeitstemperatur bis zu 5001o aus. Aus diesem Grunde werden vorteilhaft besondere
Ausdehnungsgefäße vorgesehen.
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Für die Umwälzung des Wärmeträgers durch den Mantel der Brennkammer
und die Konvektionszone oder in umgekehrter Richtung und durch die Wärmeverbraucher
können normale Kreiselpumpen verwendet werden, deren Stopfbüchsgehäuse wegen der
hohen Flüssigkeitstemperatur zweckmäßig gekühlt und bei Wärmeträgern mit geringerer
Oberflächenspannung mittels eines Sperrgases unter Druck gesetzt werden. Dadurch
wird die Packung entsprechend entlastet und die Abdichtung sowie die Haltbarkeit
der Stopfbüchsen erhöht.
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Um das Eindringen von Sperrgas in das Umlaufsystem des Wärmeträgers
zu verhindern und allfällige Reparaturen zu vereinfachen, werden zweckmäßig Umwälzpumpe,
Ausdehnungsgefäß und Speichergefäß zu einem Umpumpaggregat vereinigt. Die Pumpe
wird z. B. als Tauchpumpe bekannter Bauart ausgebildet. Der Pumpendruckstutzen ist
mit dem im Tauchpumpenbehälter eingeschweißten Anschlußstutzen durch eine elastische
selbstdichtende Dichtung verbunden. Die mit dem Behälter fest verschweißten Vor-
und Rücklaufleitungen brauchen bei einem Ausbau der Pumpe nicht gelöst zu werden.
Es genügt vielmehr in der Regel, wenn der nicht von Flüssigkeit umspülte Verschlußdeckel,
-welcher gleichzeitig die Stopfbüchse trägt, entfernt wird. Z--Ir Entlastung der
Stopfbüchse kann in deren Packung ein Gas unter ungefähr dem gleichen Druck eingeleitet
werden, der auch im Behälter herrscht. Vorteilhaft wird der Motor direkt in den
Behälter des Umpumpaggregates eingebaut. Um dabei Dämpfe vom Motor fernzuhalten,
wird z. B. der Behälterteil, in dem Motor-und Lager liegen, gekühlt und zwischen
dem Motor und Flüssigkeitsraum im Behälter ein kühlbarer Gasverschluß angeordnet.
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Wird die Erfindung z. B. zum Erhitzen von Luft von Raumtemperatur
benutzt, dann kann durch entsprechende Wahl der Heizflächen der Wärmeträger so weit
abgekühlt werden, daß er seinerseits in der Lage ist, die aus dem Erhitzer abströmenden
Rauchgase unter Ausnutzung ihres Wärmeinhaltes auf ein wirtschaftliches Maß abzukühlen.
Auf diese Weise können Wirkungsgrade in der Größenordnung von 90 % und mehr erreicht
werden. Hierbei ist der Temperaturunterschied zwischen Wärmeträgervor-und -rücklauf,
d. h. .also der Unterschied zwischen den Temperaturen des in den Erhitzer eintretenden
(Rücklauf) und den Temperaturen des aus dem Erhitzer abströmenden Wärmeträger (Vorlauf),
sehr groß, z. B. etwa 200 bis 300° C.
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Bei sehr kleinen Temperaturunterschieden zwischen Vor- und Rücklauf
des Wärmeträgers und hohen Vorlauftemperaturen können die Rauchgase durch den Wärmeträger
nicht mehr hinreichend abgekühlt werden. Zur besseren Wärmeausnutzung der Verbrennungsgase,
die den Erhitzer verlassen, kann ein Wärmeaustausch zwischen diesen Rauchgasen und
der Verbrennungsluft vorgenommen werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Teilstrom des Wärmeträgers aus der Rücklaufleitung
hinter dem Umpumpaggregat entnommen und zunächst in einen Luftvorwärmer geführt.
Hier kühlt er sich ab, indem er die Verbrennungsluft vorwärmt. Der gekühlte Teilstrom
gelangt dann zu einem der Konvektionszone nachgeschalteten Rauchgaskühler. Hier
wird er vom Rauchgas wieder auf Rücklauftemperatur erhitzt, wobei das Rauchgas abgekühlt
wird. Dann kehrt er in das Umpumpaggregat zurück.
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Man kann aber auch dem Vorlauf einen Teilstrom des Wärmeträgers entnehmen,
ihn zur Luftvorwärmung benutzen, ihn dann auf etwa Rücklauftemperatur im Rauchgaskühler
erhitzen und ihn dem Rücklauf wieder zumischen.
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Eine dritte Möglickkeit, die besonders bei sehr kleinen Temperaturunterschieden
zwischen Vor- und Rücklauf und den dann erforderlichen größeren Wärmeträgermengen
vorteilhaft ist, besteht darin, daß Brennkammer, Konvektionszone und Gas-Luft-Wärmeaustauscher
in bezug auf den Durchgang des Wärmeträgers parallel geschaltet werden. Die einzelnen
Teilstrommengen werden aus dem Rücklaufstrom hinter dem Umpumpaggregat über Verteilerdrosseln
entnommen.
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In den Zeichnungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch
und beispielsweise dargestellt. Abb.1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Brennkammer;
Abb.2 und 3 zeigen Einzelheiten der Brennkammer; in Abb. 4 und 5 sind Umpumpaggregate
für den Wärmeträger dargestellt; Abb.6 bis 9 sind Schaltungsschemen für einige Ausführungsformen
der Erfindung.
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In Abb. 1 ist 1 die Brennkammerwand des erfindungsgemäßen Erhitzers,
2 ein am unteren Ende
dieser Brennkammerwand angeordneter Brenner
und 3 der Stutzen für den Eintritt der Verbrennungsluft. Die Brennkammerwand ist
aus den nahtlosen Rohren 11 gewickelt. Oberhalb der eigentlichen Brennkammer
befindet sich die Konvektionszone, bestehend aus einer Anzahl Rohrspiralen 4. Die
Konvektionszone wird von einem Blechmantel 5 umschlossen. 6 ist ein Verdrängerrohr,
in welches bei a. B. Gasfeuerung eine Explosionsklappe eingebaut sein kann. Die
abgekühlten Rauchgase verlassen über den Stutzen .7 den Erhitzer. Der zu erhitzende
Wärmeträger tritt am oberen Ende der Konvektionszone durch eine Leitung ein, durchströmt
nacheinander oder in zwei oder mehreren parallelen Teilströmen die Spiralen 4, gelangt
aus diesen in die Rohrwicklung in der Brennkammerwand und verläßt diese in erhitztem
Zustande unten, z. B. durch die Leitung 9. 10 ist eine Stopfisolierung, z.
B. aus Schlackenwolle.
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Abb.2 zeigt beispielsweise die Anordnung von Füllstäben 12 zwischen
je zwei Rohren 11. Die Rohre sind durch Zugbänder 13 fest aufeinandergepreßt.
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In Abb. 3 ist eine dreifache Rohrspirale 4 der Konvektionszone gezeigt.
In die der Brennkammer am nächsten liegende Spirale tritt der Wärmeträger aus der
darüberliegenden Spirale bei 15 ein und gelangt bei 14 weiter in die Brennkammerwand.
Durch die darüberliegende Spirale strömt der Wärmeträger im entgegengesetzten Sinne
wie durch die unterste. Analog ist die Verbindung der nach oben folgenden Spiralen
und der Weg des Wärmeträgers durch dieselben.
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Abb.4 zeigt ein Umpumpaggregat in dem Behälter 16. 17 ist eine Tauchpumpe
bekannter Bauart, 18 die Pumpenwelle, 19 der Behälterabschlußdeckel mit aufgesetzter
Stopfbüchse, 20 der Antriebmotor. Die Pumpe kann vom Stutzen des Verschlußdeckels
19 her in den Behälter eingebaut werden. Die Abdichtung des Pumpendruckstutzens
mit den entsprechenden Behälterstutzen 23 für den Vorlauf erfolgt über eine elastische
selbstwirkende Dichtung 21. 22 ist der Pumpensaugstutzen. Der abgekühlte Wärmeträger
fließt dem Behälter 16 durch Leitung 24 zu. Der Behälter 16 ist so groß bemessen,
daß er die gesamte Wärmeträgerflüssigkeit bei nicht gefüllter Heizanlage aufnehmen
kann. Der Flüssigkeitsstand ist dann etwa bei 25. Wird die Anlage vom Behälter 16
aus im kalten Zustand mit der Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, sinkt der Flüssigkeitsspiegel
herunter bis etwa zum Stande 26 ab. Durch das Erwärmen des Wärmeträgers in Betriebszustand
dehnt sich das Volumen aus etwa bis zum Niveau 27. Über den Stutzen 28 kann, falls
erforderlich, ein Druckgas in den Behälter gegeben werden. Gleichzeitig kann von
diesem Stutzen ein Gasstrom als Sperrgas zur Stopfbüchse abgezweigt werden.
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Abb. 5 zeigt beispielsweise ein anderes Umpumpaggregat, bei welchem
der Antriebsmotor für die Pumpe in den Behälter eingebaut ist. Das Umpumpaggregat
besteht aus einem Behälter 28 mit einem direkt angeschweißten Pumpengehäuse 29.
Der Antriebsmotor 30 ist am Deckel 31 des Behälters angeflanscht. 32 is der
Kühlmantel für den Oberteil des Behälters. Die Kühlung dient dazu, den Motor 30
vor zu starker Erhitzung durch die im Behälter befindliche Flüssigkeit zu schützen.
Ferner ist der Oberteil des Behälters gegen den Eintritt von Gasen oder Dämpfen
durch den Verschluß 33 gesichert. Auf diesem Verschluß steht etwa bis zur Höhe 34
eine ausreichende Flüssigkeitsmenge, die dauernd von 32 aus gekühlt wird. Ein Zuviel
an Flüssigkeit, das etwa durch Kondensation von Wärmeträgerdampf in der Verschlußflüssigkeit
entstehen kann, fließt über das Überlaufrohr 35 in die über dem Pumpengehäuse stehende
Umlaufflüssigkeit. Die Vorlaufflüssigkeit verläßt das Umpumpaggregat durch den Stutzen
36, der Rücklauf tritt bei 37 in den Behälter ein.
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In Abb. 6, in der die Schaltung eines Systems zum Erhitzen von Luft
beispielsweise dargestellt ist, ist 38 die Brennkammer des Erhitzers und 39 die
Konvektionszone; 40 stellt den Brenner dar. Die Rauchgase durchströmen den
Erhitzer in Richtung des Pfeiles 41. 42 ist der Vorwärmer für die zu erhitzende
Luft. Die kalte Luft tritt bei 43 in den Vorwärmer ein und verläßt ihn mit der gewünschten
Temperatur bei 44. 45 ist das Umpumpaggregat. Die Pfeile in den die Leitungen
für den Wärmeträger darstellenden Linien zeigen den Gang des Wärmeträgers durch
die Anlage.
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In Abb. 7 ist beispielsweise eine Ausstattung des Erhitzers mit Rauchgaskühlung
und Luftvorwärmung dargestellt. 46 ist die Brennkammer, 47 die Konvektionszone,
48 ein Brenner und 49 das Umpumpaggregat. Der vom Wärmeverbraucher
kommende Wärmeträgerrücklauf strömt durch die Leitung 50 in das Umpumpaggregat ein,
das er bei 51 verläßt. Dann geht er nacheinander durch die Konvektionszone 47 und
Brennkammerwand 46. Mit der erforderlichen Temperatur verläßt er die Brennkammerwand
durch die Leitung 52. Aus der Rücklaufleitung wird vor Eintritt des Rücklaufs in
die Konvektionszone eine Teilstrommenge des Rücklaufes durch die Leitung 53 entnommen
und dem Luftvorwärmer 54 zugeführt. Der weitgehend abgekühlte Wärmeträger strömt
von hier über Leitung 55 zum Rauchgasvorwärmer 56. Nach Aufheizen auf z. B. Rücklauftemperatur
fließt er durch Leitung 57 in das Umpumpaggregat zurück. Die abgekühlten Rauchgase
verlassen bei 58 den Erhitzer.
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In Abb. 8 wird der Erhitzer in Richtung von unten nach oben von dem
Wärmeträger durchflossen. Hier ist 59 die Brennkammer, 60 die Konvektionszone, 61
der Brenner. Die abgekühlte Rücklaufflüssigkeit strömt durch 62 über das Umpumpaggregat
und daraus in der Leitung 62a zur Brennkammer 59 und verläßt den Erhitzer über die
Konvektionszone 60
und Leitung 63. Die Teilstrommenge für die Rauchgaskühlung
wird aus der Leitung 62a abgezweigt und durch die Leitung 64 zum Luftvorwärmer 65
geführt. Aus diesem kehrt sie durch Leitung 66, Rauchgaskühler 67 und Leitung 68
wieder zurück zum Umpumpaggregrat. Die abgekühlten Rauchgase verlassen bei 69 den
Erhitzer.
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In Abb.9 ist eine Schaltung des Erhitzers für große Flüssigkeitsmengen
und kleine Temperaturunterschiede zwischen Wärmeträgervor- und -rücklauf gezeigt.
70 ist die Brennkammer, 71 die Konvektionszone, 72 der Luftvorwärmer, 73 der Rauchgaskühler,
74 der Brenner und 75 das Umpumpaggregat. Die Rücklaufflüssigkeit gelangt durch
die Leitung 76 über das Umpumpaggregat 75 zur Verteilerdrossel 77. Hier wird der
Rücklauf in drei Teilströme aufgeteilt. Ein Teilstrom geht in die Brennkammerwand
70, ein zweiter Teilstrom in die Konvektionszone 71 und ein dritter Teilstrom über
die Leitung 72a in den Luftvorwärmer 72 und von dort über die Leitung 73 n zum Rauchgaskühler
73. Die entsprechend
aufgeheizten Teilstrommengen werden im Sammler
78, welcher hinter Brennkammer, Konvektionszone und Rauchgaskühler angeordnet ist,
vereint und verlassen diesen zur Benutzung im Wärmeverbraucher. Der erfindungsgemäße
Wärmeaustauscher mit flüssigem Wärmeträger eignet sich zur Beheizung der verschiedensten
Wärmeverbraucher, wie Verdampfer oder Destillierapparate für Fettsäuren, Mineralöle,
Teer, Schwefelsäure, Alkalilaugen oder ähnliche hochsiedende Flüssigkeiten, Rührwerkskessel,
Strahlungstrockner u. dgl.