DE2018530A1

DE2018530A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Fluden

Info

Publication number: DE2018530A1
Application number: DE19702018530
Authority: DE
Inventors: John Harrogate Yorkshire Thurley (Großbritannien)
Original assignee: John Thurley Ltd., Harrogate (Großbritannien)
Priority date: 1969-04-18
Filing date: 1970-04-17
Publication date: 1970-11-12
Also published as: FR2045379A5; GB1310106A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Fluden

Die Erfindung bezieht sich auf das E_rhitzen von Fluden, z.B. Wasser, Öl, Petroleum, flüssige Chemikalien, Gase oder dergleichen, in Rohren, die in einer mit Brennern ausgerüstetenKammer (Heizvorrichtung, Ofen) angeordnet sind.

Es sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, eine gleichmäßige Wärmeaufnahme über den ganzen Umfang und die ganze Länge der Rohre in einem Ofen zu gewährleisten und gleichzeitig das Auftreffen von Flammen auf die Rohre zu verhindern, doch hat bis jetzt keiner dieser Versu-ehe zu einer völlig befriedigenden Lösung geführt.

Bei einer bekannten Heizvorrichtung läßt man die Flammen eines oder mehrerer Brenner auf Wände aus feuerfestem Werkstoff auftreffen und sich längs dieser Wände bewegen, die auf beiden Seiten einer Doppelreihe von gegeneinander versetzten Rohren angeordnet sind. Bei einer solchen Heizvorrichtung wird eine gleichmäßigere Beheizung der Rohre erzielt. Im Vergleich zu Heizvor-

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richtungen der üblichen Art ergibt sich ein höherer Mittelwert der Wärmeaufnahme. Zu diesem Zweck ist es gedoch erforderlich, daß die Wand aus feuerfestem Material auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, was zur Folge hat, daß eine große Wärmemenge in der Wand gespeichert wird. Dieses Speichern von Wärme führt zu Wärmeverlusten an der Außenfläche der Ofenwände. Wenn der Strom des zu beheizenden Fludes plötzlich unterbrochen wird, kann die in den Wänden des Ofens bzw. der Feuerung gespeicherte Wärme zu einem Überhitzen der Bohre und daher zum Beschädigen der Eohre oder zum Überhitzen eines gegebenenfalls hitzeempfindlichen Fludes führen. Im Hinblick auf dieses Speichern von Wärme in dem+hitzebeständigen Material der Wände ist es schwierig, nach Bedarf eine intermittierende Erhitzung zu bewirken oder ein schnelles Ansprechen der Heizvorrichtung in Fällen zu gewährleisten, in denen wechselnde Durchsatzmengen erhitzt werden sollen.

Bei einer anderen bekannten Heizvorrichtung, bei der versucht wurde, eine gleichmäßige Aufnahme von Wärme über den ganzen Umfang der Eohre zu erzielen, sind auf beiden Seiten der Eohre Brenner angeordnet, von denen jeder einen Becher zum Abstrahlen von Wärme umfaßt. Bei einer solchen Heizvorrichtung ergibt sich der Nachteil, daß man eine Anlage mit zahlreichen Brennern vorsehen muß, so daß während des Betriebs hohe Lohnkosten anfallen, oder daß ein hoher Kapitalaufwand für automatische Eegelvorrichtungen und für Vorrichtungen zum Überwachen der Flammen bei der Inbetriebsetzung sowie beim Abstellen der Heizvorrichtung erforderlich ist. Außerdem ermöglichen es Anlagen mit mehreren Brennern, nicht, dafür zu sorgen, daß an die Rohre innerhalb jeder Zone Strahlungswärme völlig gleichmäßig abgegeben wird. Ferner besteht bei Brennern mit Bechern zum Abgeben von Strahlungswärme die Gefahr, daß Flammen mit den Rohren in Berührung kommen, wenn den Brennern eine zu geringe Verbrennungsluftmenge zugeführt wird, oder wenn die Brenner mit einem Gasüberschuß betrieben werden. Auch in diesem Fall wird eine große Wärme-

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menge in den Wänden aus feuerfestem Material gespeichert, so daß es schwierig ist, einen intermittierenden Betrieb durchzuführen und die Heizvorrichtung schnell ansprechen zu lassen, und daß Gefahren auftreten können, wenn der zu beheizende Fludstrom plötzlich unterbrochen wird.

Gemäß der Erfindung sollen nunmehr neuartige und verbesserte Vorrichtungen zum Erhitzen von Finden geschaffen werden, und zwar insbesondere zum Erhitzen von Petroleum bzw. Erdöl und Chemikalien, bei denen ein gleichmäßiger Wärmefluß erforderlich 'ist, und bei denen es wichtig ist, eine Berührung zwischen den Flammen und den Rohren zu verhindern. Ferner sieht die Erfindung eine neuartige Heizvorrichtung für Fälle vor, in denen ein geringes ^ewicht, eine schnelle Inbetriebsetzung, die Möglichkeit des schnellen Abstellens und eine genaue Temperaturregelung gefordert werden. Die Erfindung dürfte auch bei Verdampfungs- und Kesselanlagen anwendbar sein.

Zu weiteren Merkmalen der Erfindung können auch solche Faktoren gehören wie eine variable Regelung der Wärmeverteilung, eine leichte Verwendbarkeit automatischer Regel- und Flammenüberwachungsvorrichtungen, das Erzielen hoher thermischer Wirkungsgrade und ein geringer Aufwand für die Wartung.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Ansicht eine Ausführungsform einer etfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit einer einzigen Wand zum Abstrahlen von Wärme.

Fig. 2 zeigt im Grundriß bzw. in einer Ansicht eine weitere Heizvorrichtung mit einer einzigen Wand zum Abstrahlen von Wärme.

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Pig. 3 ähnelt Pig. 2, zeigt jedoch, eine Heizvorrichtung mit zwei einander gegenüber liegenden Wänden zum Abstrahlen von Wärme.

Pig. 4- zeigt im Grundriß bzw. in einer Ansicht eine heizvorrichtung mit nur einer Wand zum Abstrahlen von Wärme sowie mit einer abgeänderten Anordnung von Hohren.

Fig. 5 isi> ein Grundriß bzw. eine Ansicht, die eine Heizvorrichtung mit zwei Wänden zum Abstrahlen von Wärme und mit einer abgeänderten Anordnung von Rohren zeigt.

6 zeigt im Grundriß bzw. in einer Ansicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach Pig. 1.

Pig. 7 bis 12 zeigen im Grundriß bzw. in einer Ansicht weitere abgeänderte Ausführungsformen von Heizvorrichtungen gemäß der Erfindung.

Pig. 13 ist ein Grundriß bzw. eine Ansicht, die eine Heizvorrichtung mit zwei gegeneinander geneigten Wänden zum Abstrahlen von Wärme zeigt»

Pig. 14- zeigt im Grundriß bzw. in einer Ansicht eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung, die als kreuzförmige Konstruktion ausgebildet ist.

Pig. 15 zeigt im Grundriß bzw. in einer Ansicht eine abgeänderte Heizvorrichtung mit einer kreuzförmigen Anordnung von Rohren.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Heizvorrichtungen wird das Gemisch aus Luft und Gas einem Raum bzw. einer Verteilerkammer 1 auf der Rückseite einer relativ dünnen Wand 2 aus einem dünnen porösen hitzebeständigen Werkstoff zugeführt, so daß es durch die Poren des Werkstoffs strömt, den Werkstoff hierbei abkühlt und Wärmeverluste infolge des Abgebens von Wärme durch die Wand

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verhindert. Denn wird das Gemisch aus Luft und Gas auf der anderen Seite der Wand 2 in einer Kammer 3 verbrannt, wobei nur eine dünne Schicht des porösen feuerfesten Werkstoffs auf der Innenseite der Wand auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Die zahlreichen kleinen !Flammen erhitzen die Innenfläche des feuerfesten Werkstoffs gleichmäßig, so daß eine sich auf einer gleichmäßigen Temperatur befindende hitzebeständige Wärmeabstrahlungsflache entsteht, die ein hohes Emissionsvermögen aufweist, das nahezu um das Dreifache höher ist als dasjenige einer Gasflamme, so daß den Rohren 4-eine Wärmemenge zugeführt wird, die erheblich größer ist als die Wärmemenge, die den Rohren mit Hilfe einer Gasflamme der gleichen Temperatur zugeführt werden könnte.

Wenn die Vorrichtung mit einem Gasüberschuß betrieben wird, "strömen" die Flammen in der unmittelbaren Nähe der Wand nach oben, d.h. sie treffen nicht auf die Rohre 4. Wenn der Strom des zu erhitzenden Fludes plötzlich unterbrochen wird, bewirkt das Unterbrechen der Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs durch eine Sicherheitsregelvorrichtung, daß die Ofentemperatur augenblicklich herabgesetzt wird, so daß nicht die Gefahr besteht, daß die Rohee beschädigt werden.

Man kann die oder ^jede zum Abstrahlen von Wärme dienende Wand 2 in Zonen unterteilen, um die Temperaturverteilung in dem Ofen zu regeln, und diese Unterteilung kann in einem späteren Zeitpunkt an Ort und Stelle geändert werden, wenn der betreffende Prozeß unter anderen bedingungen durchgeführt werden soll.

Das hohe Emissionsvermögen der Wand und die Möglichkeit, den Ofen mit dem Luftüberschuß Null zu betreiben, ermöglichen es, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Erforderlichenfalls können die Verbrennungsprodukte so eingeregelt werden, daß ein chemisch neutrales Gas mit dem Sauerstoffgehalt Null entsteht. Eine raumsparende Bauweise und ein geringes Gewicht werden dadurch ermöglicht, daß keine

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besonderen Verbrennungskammer benötigt wird, und daß man daher die Rohre 4 in einem Abstand von nur etwa JOO mm von der benachbarten Fläche der porösen feuerfesten Wand anordnen kann, ohne daß eine Berührung zwischen den Flammen und den Eohren zu befürchten ist.

Die Luft und das Gas treten in die Verteilerkammer 1 über ein Mischventil ein, und vorzugsweise strömt das Gemisch aus Luft und Gas durch eine Flammensperre in Form eines Siebes oder Gitters aus Metalle Hierdurch wird ein gefahrloser Betrieb für den Fall gewährleistet, daß das Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft versagt. In den feuerfesten Werkstoff der Wände sind Sacklöcher gebohrt, die es dem Luft-Gas-Gemisch ermöglichen, ungehindert bis zu einem Abstand von etwa 50 ¹^D- von der Austrittsfläche in die Wände einzuströmen; an der Austrittsfläche verbrennt das Gemisch in Form zahlreicher kleiner Flammen, wobei eine Strahlungs-

o Wärmemenge zwischen nahezu Null und etwa 400 000 kcal/m ,h der leuchtenden Wandfläche erzeugt wird. Beim Hindurchströmen des Luft-Gas-Gemisches durch die Poren des feuerfesten Werkstoffs werden die Luft und das G_as zusätzlich gemischt und durch Wärme vorgewärmt, die normalerweise auf der Außenseite der Wand verloren gehen würde. Außerdem kühlt das Luft-Gas-Gemisch den hitzebeständigen Werkstoff hinter der Austritts-oder Brennfläche ab^ so daß nur eine sehr dünne Schicht auf der Innenseite der Wand auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.

Fig. 1 zeigt eine einzige Reihe von Rohren 4, die sich an in Abständen verteilten Traggliedern 5 abstützen, und eine über den Rohren angeordnete Wand 2 aus einem porösen feuerfesten Werkstoffο Fig. 2 und $ zeigen eine Doppelreihe von Rohren 4, die waagerecht oder senkrecht angeordnet sein können, eine einzige Wärmeabstrahlungswand bzw. zwei einander gegenüber liegende Wärmeabstrahlungswande sowie einen am unteren Ende angeordneten Auslaß 6 für die Verbrennungsgase.

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Fig. 4- und 6 zeigen einen Konvekt ions ab schnitt 7 mit zu einer Gruppe vereinigten Rohren, der zwischen einer Doppelreihe von Bohren 4 und einem Auslaß 6 angeordnet ist. Pig. 6 ähnelt Fig. 1, zeigt jedoch, daß die Rohre 4 auf ihrer Rückseite als Abstandhalter dienende Rippen 8 aufweisen, um die Gleichmäßigkeit des Wärmeflusses zu verbessern. Man kann auch mehr als eine Reihe von Rohren vorsehen, und der Abgasauslaß kann so angeordnet sein, daß die Gase parallel zu den Rohren strömen. Pig. 7 und 8 zeigen Ausführungsformen mit einem Abgasauslaß 6 und einem Konvektionsabschnitt 7» die beide auf der Oberseite der Vorrichtung angeordnet sind. Pig. 9 bis 12 zeigen Kammern 3 mit einem zu dem Abgasauslaß 6 führenden, sich verengenden Abschnitt 9· Pig· 13 zeigt eine Kammer 3 mit zwei gegeneinander geneigten Wärme ab Strahlungswänden 2 nahe dem unteren Ende von zwei Reihen waagerechter Rohre 4-, doch könnte man diese Anordnung auch umkehren oder die Rohre stehend anordnen. Pig. 14 zeigt vier jeweils unter einem rechten Winkel abgewinkelte Wärmeabstrahlungswände an den Ecken einer Kreuzförmigen Kammer 3, in der zwei einfache Reihen von Rohren 4 kreuzförmig zueinander angeordnet sind; anstelle jeder einzelnen Reihe von Rohren könnte man auch mehrere Reihen vorsehen« Pig. 15 zeigt eine weitere kreuzförmige Anordnung von Rohren 4 in einer größeren Kammer 3 mit vier gegeneinander geneigten WärmeabStrahlungswänden 2.

Die Wände 2 können im Vergleich zu den übrigen Wänden der Kammer sehr dünn sein und bei einer hohlen, in Abschnitte unterteilten oder auf andere Weise ausgebildeten Baueinheit eine auswechselbare Verkleidung oder einen Kanal für das Gas-Luft-Gemisch bilden. Das Gemisch steht gewöhnlich unter einem künstlichen Zug, und gegebenenfalls kann man an den Auslaß 6 ein Absauggebläse'anschließen.

Wenn mit einer sehr hohen Temperatur gearbeitet werden soll, und wenn der poröse hitzebeständige Werkstoff auf einer senkrechten Wand angeordnet ist, ist es möglich, einen tiefer liegenden Wärmeabstrahlungsabschnitt mit einer Luft-

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menge zu betreiben, die geringer ist als die stÖchiometrisch erforderliche Luftmenge, damit Kohlenmonoxid erzeugt wird. Dem über diesem Abschnitt liegenden porösen hitzebeständigen Werkstoff wird dann anstelle des Luft-Gas-Gemisches nur Luft zugeführt, mittels derer das Kohlenmonoxid verbrannt wird, um eine !'lamme von hoher Temperatur zu erzeugen und Wärme auf die sich auf der höchsten Temperatur befindenden Eohrwände zu übertragen. Die durch das poröse feuerfeste Material strömende Luft schützt das Material gegen die sehr hohe Ofentemperatur. Bei normalen Oberflächentemperaturen des ifeuerfesten Materials bis zu etwa 1100° C und in manchen Fällen noch darüber, kühlt jedoch das durch das poröse Material strömende Luft-Gas-Gemisch die feuerfeste Wand ab, und die Verbrennung spielt sich nur auf der Innenfläche des porösen feuerfesten Werkstoffs ab.

Eine gefahrlose Verbrennung kann innerhalb eines großen Bereichs von Luft-Brennstoff-Verhältnissen durchgeführt werden.

Zwar wurde vorstehend davon gesprochen, daß bei der Heizvorrichtung ein poröses feuerfestes bzw. keramisches Material verwendet wird, doch sei bemerkt, daß man alternativ auch einen porösen Metallschaum verwenden kann. Gemäß einer weiteren Alternative kann die Heizvorrichtung zylindrische Hohre oder Kanäle umfassen, die von einem porösen Metall umgeben sind, wobei das Gas durch die Poren des Metalls hindurch diffundiert und sich mit der durch die Rohre oder Kanäle strömenden Verbrennungsluft vereinigt. Um die gleichmäßige Erhitzung zu verbessern und ein hohes Emissionsvermögen zu erzielen, kann ein Formstück (tile) aus einem keramischen Werkstoff vor der Flamme angeordnet sein.

Patentansprüche 0098A6/1136

Claims

PATENTANSPRÜCHE

, 1,J Verfahren zum Erhitzen eines durch in einem nach außen abgeschlossenen -Kaum angeordnete· Rohre strömenden Fludes, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum ein gleichmäßiger Wärmefluß mit Hilfe mindestens einer Strahlungswärme erzeugenden Fläche hervorgerufen wird, die so angeordnet ist, daß sie Strahlungswärme abgibt, ohne daß Flammen in Berührung mit den Rohren kommen, und daß die Wärme von zahlreichen sehr kleinen Flammen abgegeben wird, die auf der erwähnten Fläche mit Hilfe eines durch eine Konstruktion aus einem porösen Werkstoff hindurchgeleiteten Luft-Gas-Gemisches erzeugt werden.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Gss-Gemisch durch Löcher in einer Konstruktion aus einem porösen Werkstoff bis auf einen kleinen Abstand von der Flammenerzeugungsfläche in die Konstruktion eingeleitet wird, um zu gewährleisten, daß nur eine dünne Schicht der Konstruktion aus dem porösen Werkstoff eine erhöhte Temperatur erreicht.

J. Verfahren nach Anspruch \ und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Luft-Gas-Gemisch von einer Verteilerkammer aus durch eine vordere Wand aus einem porösen hitzebeständigen Werkstoff geleitet wird, und daß das Hindurchströmen des Gemisches durch die Wand dadurch erleichtert wird, daß Löcher vorgesehen werden, die sich teilweise durch die Wand hindurch erstrecken.

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- ίο -

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch eine Konstruktion aus einem porösen Werkstoff geleitet wird, daß die Verbrennungsluft durch gerade Kanäle in dem porösen Werkstoff geleitet wird, und daß das Luft-Gas-Gejnisch auf der Außenfläche der porösen Konstruktion gezündet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammen veranlaßt werden, auf einen Formkörper aus einem keramischen Werkstoff aufzutreffen»

6. Heizvorrichtung für Flude, gekennze ichn e t durch einen Ofen mit darin angeordneten Rohren (4) zum Aufnehmen eines zu erhitzenden Fludes, wobei mindestens eine Wand (2) des Ofens einen Brenner zum gleichmäßigen Erhitzen der Rohre bildet oder umfaßt, wobei dieser Brenner eine Konstruktion aus einem porösen Werkstoff umfaßt, durch den Gas und Verbrennungsluft strömen können, um auf der Außenfläche der Konstruktion gezündet zu werden, und wobei diese Konstruktion geeignet ist, Strahlungswärme abzugeben, ohne daß Flammen in Berührung mit den Rohren kommen.

7· Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Brenner eine Verteilerkammer (1) mit einer Wand (2) aus einem porösen Werkstoff umfaßt, und daß diese Wand mit Löchern versehen ist, die sich mindestens teilweise durch die Wand hindurch erstrecken.

8. Heizvorrichtung nach Anspruch 7» dadurch g e kennzeichne t, daß dafür gesorgt ist, daß das aus der Verteilerkammer (1) austretende Luft-Gas-Gemisch durch eine Flammensperre in Form eines Gitters oder Siebes aus gelochtem Metall strömt.

9. Brenner zum Erhitzen eines Fludes, das durch mindestens ein Rohr in einem Ofen geleitet wird, gekennzeichnet durch eine Wandkonstruktion (2) aus einem

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porösen Werkstoff, durch, den ein Luft-Gas-Gemisch hindurchströmen kann, sowie eine Verteilerkammer (T), die den hinteren Teil der Wandkonstruktion bildet, und aus der das Gemisch der Wandkonstruktion zugeführt wird, wobei die Anordnung derart ist, daß zwhlreiche sehr kleine !lammen auf der Außenfläche der Wandkonstruktion erzeugt werden können, um dem Rohr (4) Strahlungswärme zuzuführen, ohne daß die Flammen in Berührung mit dem Rohr kommeno

10. Brenner nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Werkstoff (2) mit mehreren porösen Löchern versehen ist, die sich von der Rückseite des Werkstoffs aus erstrecken und kurz vor seiner Außenseite enden.

11 ο Brenner nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet , daß eine Flammensperre in Form eines Siebes oder Gitters aus gelochtem Metall zwischen der Verteilerkammer (1) und dem porösen Werkstoff (2) angeordnet ist.

12. Brenner -nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Werkstoff ein hitzebeständiger Werkstoff oder ein Metallschaum ist.

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