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Die Kriterien für die Entwicklung eines Heizstrahlers
sind Ausgangsleistung, Wirkungsgrad und
Vielseitigkeit. Die Ausgangsleistung ist wichtig, da bei
Anwendungen beispielsweise zur Bodensterilisation die
Sterilisation nicht auftritt, wenn nicht spezielle
Aufheizungspegel erreicht werden. Der Wirkungsgrad ist
wichtig, weil die Brennstoffkosten darüber bestimmen
können, ob die Verwendung des Heizstrahlers für eine
spezielle Anwendung ökonomisch rentabel ist. Die
Vielseitigkeit ist wichtig, weil die
Aufheizanforderungen von einem Industriezweig zum anderen oder
sogar innerhalb eines einzigen Industriezweiges mit der
Anwendung variieren.
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Die Erfindung geht aus von einem Heizstrahler, der in
der FR-A-2 174 789 geoffenbart ist, mit einem
Gehäuse; einer Verbrennungskammer im Gehäuse, wobei die
Verbrennungskammer eine Mittelachse definiert und ein
Einlaßende mit einer Einlaßöffnung daran sowie ein
Auslaßende mit einer Ausströmöffnung daran aufweist
und die Kammer einen Durchflußweg für
Verbrennungsprodukte entlang der Mittelachse begrenzt und mit
Abstrahlmitteln, welche die Verbrennungskammer umgeben,
wobei die Abstrahlmittel das Auslaßende der
Verbrennungskammer begrenzen, zur Abstrahlung von Wärme aus
dem Auslaßende der Verbrennungskammer radial nach
außen und die Abstrahlmittel eine Vielzahl von Fluid-
Durchlaßwegen aufweisen, die in Ebenen angeordnet
sind, welche die Mittelachse enthalten, sowie
Reflektormittel, welche die Abstrahlmittel umgeben,
zur Reflexion der von den Abstrahlmitteln
abgestrahlten Wärme aus dem besagten Gehäuse axial nach
außen.
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In der US-A-3 763 847 ist ein Heizstrahler
geoffenbart mit einem innerhalb einer Wärmeaustauschkammer
angeordneten Wärmetauscher, wobei die
Verbrennungsprodukte entlang dieser Kammer strömen. Die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Heizstrahler zu schaffen, der nicht nur
Strahlungsenergie erzeugt, sondern auch heißes Wasser
und angeheizte Luft abgibt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen aus dem
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den
abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben und beansprucht.
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Diese und andere Merkmale der Erfindung gehen
deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung hervor
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in
denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;
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Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung nach der
Schnittlinie 2-2 in Fig. 1 zeigt;
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Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Teils einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach
der Schnittlinie 3-3 in Fig. 2 zeigt;
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Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung nach der
Schnittlinie 4-4 in Fig. 1 zeigt; und
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Fig. 5 eine Ausschnittsdarstellung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein
allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter
Heizstrahler, der in den Fig. 1 bis 5 dargestellt ist und
nun unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben
wird.
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Die primären Komponenten des Heizstrahlers 10 sind
ein Gehäuse 12, eine Verbrennungskammer 14, eine
Wärmeaustauschkammer 16, ein Wärmetauscher 18, ein
Abstrahler 20 und ein Reflektor 22.
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Das Gehäuse 12 ist im Querschnitt im wesentlichen
zylindrisch ausgebildet und besitzt einen zentralen
Kernabschnitt 13 und einen äußeren Umfangsabschnitt
15, die in ihrer relativen Lage zueinander über
mehrere mit den Abschnitten 13 und 15 verschweißten
Streben 17 aneinander befestigt sind. Am Gehäuse 12
sind frontseitige und rückseitige
Befestigungsklammern 24 und 26 angeordnet. Die rückseitigen
Befestigungsklammern 24 besitzen Öffnungen 28, die zur
Aufnahme eines festen Schaftes 30 geeignet sind. Die
Enden 32 des festen Schaftes 30 werden von Öffnungen
34 in Stützen 36 aufgenommen, damit das Gehäuse 12 in
Fabrikgebäuden oder auf einer Plattform 19 eines
Anhängerfahrzeugs 21, wie in Fig. 1 dargestellt,
montiert werden kann. Die vorderseitige
Befestigungsklammer 26 ist dazu geeignet, mit hydraulischen
Abstützungen 23 auf der Plattform 19 verbunden zu
werden, damit die Mittelachse 38 des Heizstrahlers 10
vertikal verstellt werden kann. Es ist nicht möglich,
den Heizstrahler 10 anders in seitlicher Richtung zu
verstellen, als durch eine relative Positionierung
der Plattform 19, auf welcher der Heizstrahler 10
montiert ist.
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Die Verbrennungskammer 14 ist innerhalb des Gehäuses
12 angeordnet und definiert die Mittelachse 38. Die
Verbrennungskammer 14 besitzt ein Einlaßende 40 mit
einer Einlaßöffnung 42 daran. An der Einlaßöffnung 42
ist ein Gasbrenner 44 angeordnet. Die
Verbrennungsluft wird dem Brenner 44 über einen Frischlufteinlaß
46 zugeführt, der über eine Luftleitung 48 mit dem
Ende 50 des Brenners 44 verbunden ist. Die
Verbrennungskammer 14 besitzt ein Auslaßende 52 mit einer
Ausströmöffnung 54 daran. Die Verbrennungskammer 14
begrenzt einen Durchflußweg für Verbrennungsprodukte
entlang der Mittelachse 38. Das Einlaßende 40 der
Verbrennungskammer 14 nimmt um die Mittelachse 38
herum von der Einlaßöffnung 42 an in Richtung auf die
Ausströmöffnung 54 fortschreitend in der Größe zu.
Das Auslaßende 52 der Verbrennungskammer 14 nimmt von
dem Einlaßende 40 an in Richtung auf die
Ausströmöffnung 54 der Verbrennungskammer 14 fortschreitend in
der Größe ab.
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Der Brenner 44 besitzt eine Brennstoffpumpe 45, der
Brennstoff aus dem Brennstofftank 47 durch ein Filter
49 und eine Brennstoffansaugleitung 51 abzieht. Der
Brenner 44 ist ein Zweistufenbrenner und besitzt eine
Erststufendüse 53 und eine Zweitstufendüse 55. Der
Fluß des Brennstoffes von der Brennstoffpumpe 45 zu
den Düsen 53 und 55 wird durch Elektromagnetventile
57 gesteuert, welche bei Öffnung den Durchfluß des
Brennstoffes in 34-Sekundenintervallen ermöglichen.
Sollte sich das Luft-Brennstoff-Gemisch nicht
entzünden, so bleiben die Elektromagnetventile 57
geschlossen, um zu verhindern, daß ein Überschuß an
Brennstoff in den Brenner 44 gepumpt wird. Überschüssiger
Brennstoff wird durch die Brennstoffrücklaufleitung
59 in den Brennstofftank 47 zurückgeführt. Die
Gegenwart der Elektromagnetventile 57 und der
Brennstoffrücklaufleitung 59 sind Sicherheitsmerkmale, um die
Möglichkeit von Explosionen zu verhindern. Der
Brenner 44 kann für den Betrieb mit irgendeinem aus einer
Anzahl von Brennstoffen eingerichtet werden, wie
beispielsweise Propan, Erdgas, Dieselkraftstoff, Kerosin
und dergleichen.
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Der Abstrahler 20 besitzt die Form eines gerippten,
konischen Mantels mit einem breiteren Ende 56, das
konzentrisch zur Achse 38 und dem benachbarten
Einlaßende 40 der Verbrennungskammer 14 angeordnet
ist und einem schmaleren Ende 58, das konzentrisch
zur Achse 38 angeordnet ist. Der Abstrahler 20
begrenzt das Auslaßende 52 der Verbrennungskammer 14
und dient dazu, Wärme aus dem Auslaßende 52 der
Verbrennungskammer 14 radial nach außen abzustrahlen.
Der Abstrahler 20 besitzt eine Vielzahl von Rippen
61, die in die Mittelachse 38 enthaltenden Ebenen 62
angeordnet sind. Die Rippen 61 sind offen mit
Ausnahme eines vom schmaleren Ende 58 entfernten
Abschnittes von 18 Zoll (45,72 cm), der zur Bildung von
Fluid-Durchlaßwegen 60 geschlossen ist. Die
Durchlaßwege 60 besitzen ein mit der Verbrennungskammer 14
verbundenes Einlaßende 64 und ein von ihr abgewandtes
Auslaßende 66, welches mit der Wärmeaustauschkammer
16 verbunden ist. Verbrennungsprodukte aus der
Verbrennungskammer 14 strömen durch das kleinere Ende 58
des konischen Abstrahlers 20 entlang der offenen
Rippen 61 und treten schließlich in Durchlaßwegeinlässe
64 der Durchlaßwege 60 ein und durch die Auslaßenden
66 in die Wärmeaustauschkammer 16 ein. Damit der Fluß
der Abgase vom Einlaßende 64 zum Auslaßende 66
verzögert werden kann, um Wärme innerhalb des Abstrahlers
20 zurückzuhalten, sind Drosselwände 68 und eine
wendelförmige Drossel 70 in den Durchlaßwegen 60
angeordnet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
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Der konische Abstrahler 20 besitzt eine unregelmäßige
äußere Oberfläche 72, was auf die Gegenwart der
Rippen 61 zurückgeführt werden kann, die sowohl auf der
inneren als auch der äußeren Oberfläche vorhanden
sind. Die Rippen 61 dienen dazu, für die Abstrahlung
der Wärme eine größere Oberfläche zur Verfügung zu
stellen. Der Reflektor 22 umgibt den Abstrahler 20 um
die vom Abstrahler 20 abgestrahlte Wärme aus dem
Gehäuse 12 axial nach außen zu reflektieren. Der
Abstrahler 20 ist aus Materialien hergestellt, die
unter dem Handelsnamen "Ferrotherm 4816" bekannt sind.
Ferrotherm 4816 wurde ursprünglich zur Verwendung bei
Kernreaktoren entwickelt und besitzt eine
Zusammensetzung, die 79,9% Nickel und 0,29% Titan zur
Erzielung von Temperaturbeständigkeit sowie 1,2% Aluminium
zur Erzielung von Flexibilität umfaßt.
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Die Oberfläche des Reflektors 22 wird einer
Behandlung unterworfen, die von den deutschen Krupp Werken
als "glüherhitzt" beschrieben wird. Der Anmelder hat
versucht, weitere Einzelheiten dieses Verfahrens zu
erhalten um eine vollständige und komplette
Offenbarung zu liefern und es wurde ihm mitgeteilt, daß die
Behandlung ein Fabrikationsgeheimnis der Krupp Werke
ist.
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Die Wärmeaustauschkammer 16 umgibt das Einlaßende 40
der Verbrennungskammer 14. Die Wärmeaustauschkammer
16 besitzt zwei Ringe mit kreisförmigen Querschnitt,
nämlich einen Sammelring 76 und einen Auslaßring 78.
Der Sammelring 76 ist mit dem Auslaßende 66 jedes der
Durchlaßwege 60 verbunden. Der Auslaßring 78 besitzt
eine Öffnung 80, die mit der Auslaßleitung 82
verbunden ist. Es gibt zwei Öffnungen 77, welche einen
Übertritt von Abgasen zwischen dem Sammelring 76 und
dem Auslaßring 78 ermöglichen. Der Auslaßring 78
besitzt eine geringere Größe als der Sammelring 76,
weil die Luft zum Zeitpunkt, in dem sie den
Auslaßring 78 erreicht, heruntergekühlt ist und sich etwas
zusammengezogen hat.
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Innerhalb der Wärmeaustauschkammer 16 ist ein
Wärmetauscher 18 angeordnet. Der Wärmetauscher 18 weist
zwei schraubenförmig gewickelte Rohrleitungen 84 und
86 auf. Die Rohrleitung 84 ist im Sammelring 76
angeordnet. Die Rohrleitung 84 ist an einem Ende 85 mit
einem Kaltluft-Einlaßkanal 88 und am
entgegengesetzten Ende 89 mit einem Heißluft-Auslaßkanal 90
verbunden. Die Rohrleitung 84 ist unter der Bildung von
neun Windungen 92 innerhalb des Sammelrings 76
angeordnet. Ein Luftgebläse 94 ist mit dem
Kaltluft-Einlaßkanal am Ende 85 der Rohrleitung 84 verbunden, um
Umgebungsluft durch die Rohrleitung 84 zu blasen.
Wenn Luft in den Windungen 92 der Rohrleitung 84
zirkuliert, wird die Luft durch die Verbrennungsprodukte
im Sammelring 76 erhitzt. Das Ende 89 der Rohrleitung
84 ist so ausgebildet, daß es an das Rohrnetz eines
(nicht dargestellten) Heißluft-Heizungssystems
angeschlossen werden kann. Die Rohrleitung 86 ist im
Auslaßring 78 angeordnet. Die Rohrleitung 86 ist an
einem Ende 95 mit einem Kaltwasser-Einlaßkanal 96 und
am entgegengesetzten Ende 97 mit einem Heißwasser-
Auslaßkanal 98 verbunden. Der Kaltwasser-Einlaßkanal
96 ist so ausgebildet, daß er an eine (nicht
dargestellte) Wasserquelle angeschlossen werden kann. Ein
handbetätigtes Steuerventil 100 ist zur Steuerung des
Wasserdurchflußes am Ende 95 der Rohrleitung 96
angeordnet. Die Rohrleitung 86 ist innerhalb des
Auslaßrings 78 in drei Windungen 102 angeordnet. Wenn
Wasser durch die Windungen 102 der Rohrleitung 86
zirkuliert, wird das Wasser durch die
Verbrennungsprodukte im Auslaßring 78 erhitzt. Das Ende 97 der
Rohrleitung 86 ist so ausgebildet, daß es an ein
Rohrnetz angeschlossen werden kann, das ein (nicht
dargestelltes) Heißwasser-Heizungssystem bildet.
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Zur Inbetriebnahme des Heizstrahlers 10 wird der
Brenner 44 an den Treibstofftank 47 angeschlossen und
es wird Luft durch den Frischlufteinlaß 46 über die
Luftleitung 48 eingesaugt, bis sich das
Luft-Brennstoffgemisch in der Verbrennungskammer 14 entzündet.
Die Verbrennungsprodukte strömen durch die
Einlaßöffnung 42 am Einlaßende 40 der Verbrennungskammer 14
und bewegen sich entlang der Mittelachse 38 zur
Ausströmöffnung 54 am Auslaßende 52 der
Verbrennungskammer 14. Am Auslaßende 52 strömen die
Verbrennungsprodukte durch die Ausströmöffnung 54 in das Einlaßende
64 des Durchlaßwegs 60. Die Bewegung der
Verbrennungsprodukte entlang des Durchlaßwegs 60 wird durch
die Drosselwände 68 und eine wendelförmige Drossel 70
in den Durchlaßwegen 60 verzögert. Wenn die
Verbrennungsprodukte das Auslaßende 66 des Durchlaßwegs 60
erreichen, strömen die Verbrennungsprodukte in den
Sammelring 76 der Wärmeaustauschkammer 16 aus. Die
Verbrennungsprodukte strömen dann im Sammelring 76
der Wärmeaustauschkammer 14 herum, dann in den
Auslaßring 78 der Wärmeaustauschkammer 14 und
schließlich werden sie durch einen Abgaskanal 82 abgeführt.
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Zu der gleichen Zeit, in der der oben beschriebene
Verbrennungszyklus abläuft, sind in der
Wärmeaustauschkammer 16 zwei weitere Heizzyklen in Betrieb.
In einem dieser Zyklen wird mittels des Gebläses 54
über den Kaltluft-Einlaßkanal 88 Luft in die
Rohrleitung 84 geblasen. Die Luft zirkuliert durch die
Windungen 92 der Rohrleitung 84, bis sie den Heißluft-
Auslaßkanal 90 erreicht. Während die Luft durch die
Windungen 92 der Rohrleitung 84 strömt, wird sie
durch die Verbrennungsprodukte im Sammelring 76
aufgeheizt. Der Heißluft-Auslaßkanal 90 dient in einer
zweiten Funktion zur Vorheizung der Luft, die durch
den Frischlufteinlaß 46 in den Brenner 44 eintritt.
Dies wird erreicht, indem der Luftkanal 48 und der
Heißluft-Auslaßkanal 90 in enger Nachbarschaft
angeordnet sind, so daß hier ein teilweiser
Wärmeaustausch stattfindet. Das Vorheizen der in den Brenner
44 eintretenden Luft unterstützt die Verbrennung,
vorausgesetzt, daß die Luft in nicht zu großem Ausmaß
aufgeheizt ist. Ein Aufheizen der Luft auf etwa 50ºC
wird als akzeptabel angesehen. Aufgrund der Tendenz
der Luft, sich beim Erwärmen auszudehnen, kann das
Aufheizen der Luft in einem zu großen Ausmaß einen
unerwünschten Gegendruck innerhalb des Systems
erzeugen.
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In dem anderen dieser Zyklen wird Wasser durch den
Kaltwasser-Einlaßkanal 96 in die Rohrleitung 86
eingesaugt. Wenn das Wasser in den Windungen 102 der
Rohrleitung 86 zirkuliert, wird das Wasser durch die
Verbrennungsprodukte im Auslaßring 78 erhitzt. Das
aus dem Heißwasser-Auslaßkanal 98 ausströmende Wasser
ist erhitzt und kann entweder als solches verwendet
werden oder einem (nicht dargestellten) Heißwasser-
Heizungssystem zugeführt werden.
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Die Wärmeausgangsleistung des Abstrahlers 20 wird
durch die Rippen 61 und den Reflektor 22 verbessert.
Die Rippen 61 dienen dazu, eine größere Oberfläche
für die Abstrahlung der Wärme zur Verfügung zu stellen.
Der Reflektor 22 reflektiert die Wärme des
Abstrahlers 20 nach außen.
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Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß eine
vergrößerte Ausgangsleistung des Heizstrahlers 10
aufgrund der Drosselwände 68 und der wendelförmigen
Drossel 70, welche die Bewegung der
Verbrennungsprodukte verzögern und dadurch die Wärme im Abstrahler
20 zurückhalten, erreicht werden kann. In ähnlicher
Weise ist ersichtlich, daß ein höherer Wirkungsgrad
der Betriebsweise durch Vorheizen der dem Brenner 44
zugeführten Luft und durch die Verwendung der
Wärmeaustauschkammer 16 und des Wärmetauschers 18 erzielt
werden kann, um andere Formen von Wärme aus der
gleichen Brennstoffquelle zu gewinnen. In ähnlicher Weise
ist offensichtlich, daß der Heizstrahler 10 eine
größere Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit
besitzt, indem Strahlungswärme, Heißwasser oder
aufgeheizte Luft erzeugt werden können, wie es die
Anwendung fordert. Es ist für den Fachmann offensichtlich,
daß der Heizstrahler 10 für die Erzeugung von
aufgeheiztem Dampf eingerichtet werden kann, indem man das
Wasser im Wärmetauscher 18 zirkulieren läßt, bis es
in Dampf umgewandelt ist.
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Der Abstrahler 20 ist so konstruiert, daß er
widerstandsfähig gegen Temperaturen ist, die 1500ºC
erreichen. Bei von dem Alberta Research Council
durchgeführten kontrollierten Versuchen lag die erzeugte
Strahlungswärme zwischen 1150 und 1250ºC und der
Ausstoß an Heizluft betrug 600 Kubikfuß pro Minute
(0,283m³/s) bei einer Temperatur von 680ºC.