EP3108183A1 - Rekuperatorbrenner mit zusatzwärmetauscher - Google Patents

Rekuperatorbrenner mit zusatzwärmetauscher

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Publication number
EP3108183A1
EP3108183A1 EP15704328.2A EP15704328A EP3108183A1 EP 3108183 A1 EP3108183 A1 EP 3108183A1 EP 15704328 A EP15704328 A EP 15704328A EP 3108183 A1 EP3108183 A1 EP 3108183A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
recuperator
heat exchanger
air
burner
burner according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15704328.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim G. Wünning
Joachim A. Wünning
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WS Warmeprozesstechnik GmbH
Original Assignee
WS Warmeprozesstechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by WS Warmeprozesstechnik GmbH filed Critical WS Warmeprozesstechnik GmbH
Publication of EP3108183A1 publication Critical patent/EP3108183A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/126—Radiant burners cooperating with refractory wall surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/66—Preheating the combustion air or gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/10005—Arrangement comprising two or more beds in separate enclosures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99001—Cold flame combustion or flameless oxidation processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a recuperative burner, which is particularly suitable for use in industrial furnaces.
  • the exhaust heat can be partially recovered by air preheating.
  • a Rekuperatorbrenner for heating a jet pipe is known, said Rekupera ⁇ torbrenner for cooling the wall-side flange and the wall has a fresh air flowed through heat exchanger, which surrounds the recuperator concentrically.
  • EP 1 995 516 B1 discloses a recuperator Known burner, which has a bundle rank ⁇ flattened, fresh air leading tubes for air preheating, which are arranged in an exhaust gas stream leaving the furnace chamber in an annulus ⁇ .
  • This recuperator can be used to improve air preheating and increase efficiency to over 80%.
  • the use is limited to exhaust gas temperatures up to about 1000 ° C. This raises especially in industrial burners lower power below 200 kW the problem at a reasonable cost and at high exhaust gas temperatures ⁇ to achieve a high combustion efficiency.
  • combustion efficiencies of over 80% are aimed at at exhaust gas temperatures of over 1000 ° C.
  • the recuperative burner has a townenburggewin ⁇ tion arrangement with a recuperator and a Rekupera ⁇ tor annularly enclosing additional heat exchanger, where ⁇ in the recuperator and the additional heat exchanger, both of the exhaust gases and the fresh air are respectively flowed through serially.
  • This inflowing Frischlauft is heated to ⁇ next by the additional heat exchanger and then by the Rekupe ⁇ rator.
  • Outflowing exhaust gas is first cooled in the Re ⁇ kuperator and then in the additional heat exchanger.
  • the directions of flow of the burner supplied air are also different in the auxiliary heat exchanger and the recuperator, preferably opposite to each other ⁇ .
  • the Bren ⁇ nerflansch may be cooled and heat removed from here the system so be returned to the system.
  • Flanschkühler provide a bypass channel so that only a portion of the total the Bren ⁇ ner supplied air flows through the Flanschkühler and another part of the heat exchanger arrangement ⁇ di rectly fed.
  • the satellite heat exchanger has a specific heat transfer area of at least 0.04 m 2 / kW. This is preferably with a countercurrent heat exchanger made of metal pipes or metal sheet achieved. With this specific Heat Transf ⁇ transfer area of the supplementary heat exchanger in combination a Feue ⁇ approximately efficiency of more than 80% can be achieved with a recuperator made of ceramic or metal.
  • the additional heat exchanger preferably has a plurality of mutually parallel air channels. These can be formed, for ⁇ In play through pipes that are arranged in an exhaust passage. As tubes in particular flat tubes with non-circular air ducts into consideration. Preferably, the flat tubes have slit-like channels, to obtain a particularly ho ⁇ hes surface / volume ratio. A so-formed out ⁇ additional heat exchanger made of metal can achieve a high transmission efficiency in a compact package.
  • the annular additional heat exchanger may be a building ⁇ unit or consist of a plurality of segment-like units, the composite result in the annular réelletau ⁇ shear.
  • the heat exchanger can also have the shape of a slotted o- of the partially open ring.
  • the recuperator is preferably formed by an inside of the air and the outside of exhaust gas flowed around or pipe, which consists of ceramic or a high temperature resistant metal.
  • the recuperator is preferably a profile tube which can projecting Before ⁇ cracks having inwardly and / or outwardly in order to improve the heat transfer between hot flue gases and already preheated air.
  • the extending through the additional heat exchanger recuperator is preferably against a projection provided on the Rajicar ⁇ exchanger seat resiliently tensioned and Schemedich ⁇ tet.
  • the recuperator can be easily be expanded. In addition, it can be held stress-free in this way.
  • the inventive concept also allows the arrangement of the heat exchanger assembly in a fresh-air-flow housing which is held in this manner on niedri ⁇ gen temperatures.
  • the ge through the housing ⁇ induced fresh air of the heat exchanger assembly can be supplied.
  • Figure linen recuperative burner according to the invention in a simplified longitudinal sectional view of a furnace wall.
  • Figure 2 shows the recuperative burner of Figure 1 in cross-section ⁇ , cut along the line II-II and
  • Figure 3 is a diagram illustrating Wär ⁇ me antique and temperature profile in the jacket (2004)illerano ⁇ rd Vietnamese recuperator burner according to the invention.
  • a recuperative burner 10 is veran ⁇ illustrated, which is provided for heating a furnace wall 11 enclosed by a furnace chamber 12.
  • the burner 10 extends through an opening 13 provided in the furnace wall 11, to which the recuperative burner 10 is attached.
  • the recuperative burner 10 has a burner head 14, whose housing 15 is held with a flange 16 on the furnace wall 11.
  • a seat 17 for receiving a flange of a jet pipe 18 is provided, which extends through the opening 13 and serves to emit radiant heat into the furnace ⁇ space 12 inside.
  • the jet pipe 18 is from the inside, preferably by flameless oxidation, and, where appropriate, ⁇ heated but also otherwise.
  • the housing 15 encloses a space in which a heat exchanger assembly 19 is arranged. This serves to fresh air, which is supplied to the housing 15 via an air connection 20 to heat by means of exhaust heat. As a result, the exhaust gas loses heat and leaves the heat exchanger arrangement 19 and the housing 15 at an exhaust gas connection 21.
  • the recuperator 23 may be a metal tube or high exhaust gas temperatures also Kera ⁇ mikrohr. It may be formed as a smooth-walled cylinder tube or as shown as a profiled tube with radially inwardly and / or outwardly projecting projections 24, for example in the form of hollow teeth or the like.
  • the recuperator tube 23 encloses with its inner ⁇ side an air duct 25th
  • recuperator 22 is replaced by an additional heat exchanger.
  • enclosed exchanger 26 the tubular inner wall 27 together with the Rekuperatorrohr 23 an exhaust passage 28 be ⁇ limits.
  • the exhaust duct 28 and the air duct 25 are flowed through in Ge ⁇ genides. The flow direction in the air duct
  • the air duct 25 of the recuperator ⁇ 22 is separated by a pipe 31 of one or more Gaslei ⁇ lines 32, 33 or other fuel lines, the various modes enable, such as AufMapbe ⁇ drive or flameless operation.
  • the recuperator pipe 23 has a flange 34 or other connection with which it is held against a seat of the auxiliary exchange exchanger 26.
  • the seat can by egg ⁇ ne planar, conical or otherwise formed annular surface on an upper housing surface 35 of the additional heat exchanger
  • the flange 34 is pressed against the seat by spring-loaded bolts 36 or similar means.
  • the bolts 36 can réellere ⁇ ck by an egg ⁇ nem housing cover 37 held insulator body 38. By removing the housing cover 37 is the
  • the additional heat exchanger 26 has at least one, preferably a plurality of air channels 39, which are preferably enclosed by flattened tubes 40.
  • the housing ⁇ tubes 40 may have round ends in the plate or surface 35 and the bottom 41 in round ⁇ ff- be tightly grasped.
  • the tubes 40 but preferably flattened, so that the air passages are formed slit-like. 39 Before ⁇ preferably, the gap width is less than 3 mm to a value limited in order to achieve an intensive thermal contact Zvi ⁇ rule air and the pipe wall.
  • the tubes 39 are arranged in an exhaust passage 42 of the additive exchange exchanger 26, which is flowed through by exhaust gas in a direction away from the insulator body 38 toward the housing bottom 41.
  • the tubes 40 are flowed through in the opposite direction of fresh air.
  • the exhaust duct 42 is surrounded on the outside by a peripheral wall 43, which defines a fresh air duct 44 with the housing 15. This leads to a flange cooler 45.
  • the flange cooler 45 has a Lucaska ⁇ nal 46, which extends to the flange of the steel pipe 18 before ⁇ in this and from there to the petitionariatau ⁇ shear 26 extends.
  • Fuel line 32 gradually reduced and turned off. It is formed in the jet a large-scale, in figure 1 indicated by arrows hot gas swirl of be fed to the combustion ⁇ material and air to ren flameless to oxidizing.
  • In the jet pipe 18 prevail temperatures before ⁇ preferably above 1000 ° C.
  • Exhaust gas with an exhaust gas temperature TAI for example, 1250 ° C flows on the outside of the recuperator ⁇ pipe 23 along 28 through the exhaust passage 3 veran ⁇ illustrates the temperature drop of the exhaust gas at the Rekupe ⁇ ratorrohr 18.
  • TAI exhaust gas temperature
  • At the open end of the inner wall 27 enters the somewhat cooled exhaust gas from the Exhaust duct 28 with Rich ⁇ tion reversal in the exhaust passage 42 of the additional heat exchanger 26 via ( Figure 1 arrow bundle 47). It then flows through the exhaust passage 42 along the tubes 40 to the port 21 and leaves there clearly cooled with a temperature, for example, of 450 ° C the terminal 21st
  • the port 20, for example, with ambient temperature TL1 ⁇ (20 ° C) supplied fresh air is heated in the fresh air duct 44 at first only slightly. It reaches with a slightly elevated temperature of, for example 50 ° C, the flange cooler 45 and then occurs, for example, 250 ° C he ⁇ warms in the air channels 39 of the additional heat exchanger 26 a. Here it is heated on its way from the flange of the beam ⁇ pipe 18 away to, for example 900 °, after which it flows under a ⁇ Rich ⁇ power reversals in the air duct 25 of the recuperator 22nd Through their existing here high temperature occurring at the recuperator 22 thermi ⁇ rule stresses are kept low.
  • a Rekuperatorbren ⁇ ner 10 is equipped with an additional heat exchanger 26 which surrounds the recuperator 22, wherein both the recuperator and the additional heat exchanger preferably designed as pure countercurrent heat exchanger are, wherein the additional ⁇ heat exchanger 26, the air is supplied to the furnace wall 11 facing ⁇ th side.
  • the specific Heat Transf ⁇ transfer area of the supplementary heat exchanger is preferably more than 0.04 m 2 / kW fuel performance.
  • the housing 15 can be cooled by the additional heat ⁇ exchanger 26 with cold air from the inside.
  • Au ⁇ ßerdem at least optionally, the air first be fed to a Flanschkühler 45 to the area of the flan ⁇ ULTRASONIC 16 before here are high exhaust gas temperature to Schütting ⁇ zen. This is particularly advantageous in the application of the beam ⁇ pipe 18th
  • the ceramic Rekuperatorrohr 26 is resiliently pressed against an exit-side surface 35 of the Rajariatau ⁇ shear 26 and sealed. This benefits the maintenance.
  • the additional heat exchanger 26 has preferential ⁇ as gap-shaped air ducts. 39 Preferably these are formed in flattened tubes 40.

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Abstract

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Rekuperatorbrennern, vorzugsweise über 80%, wird ein Rekuperatorbrenner (10) mit einem Zusatzwärmetauscher (26) ausgestattet, der den Rekuperator (22) umschließt, wobei sowohl der Rekuperator als auch der Zusatzwärmetauscher vorzugsweise als reine Gegenstromwärmetauscher ausgebildet sind, wobei dem Zusatzwärmetauscher (26) die Luft auf der der Ofenwand (11) zugewandten Seite zugeführt wird. Die spezifische Wärmeübertragungsfläche des Zusatzwärmetauschers beträgt vorzugsweise mehr als 0,04 m2/kW Brennstoffleistung. Zusätzlich kann das Gehäuse (15) um den Zusatzwärmetauscher (26) mit kalter Luft von innen gekühlt werden. Außerdem kann zumindest optional die Luft zunächst einem Flanschkühler (45) zugeleitet sein, um den Bereich des Flansches (16) vor der hier noch hohen Abgastemperatur zu schützen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung in Strahlrohre (18) vorteilhaft. Vorzugsweise wird das keramische Rekuperatorrohr (26) gegen eine austrittsseitige Fläche (35) des Zusatzwärmetauschers (26) federnd gedrückt und abgedichtet. Dies kommt der Wartung zugute. Der Zusatzwärmetauscher (26) weist vorzugsweise spaltförmige Luftkanäle (39) auf. Vorzugsweise sind diese in abgeflachten Rohren (40) ausgebildet.

Description

Rekuperatorbrenner mit Zusatzwärmetauscher
[001] Die Erfindung betrifft einen Rekuperatorbrenner, der insbesondere für den Einsatz an Industrieöfen geeignet ist .
[002] An brennstoffbeheizten, insbesondere gasbeheizten, Industrieöfen kann die Abgaswärme durch Luftvorwarmung teilweise zurückgewonnen werden.
[003] Dazu beschreibt DE 195 419 22 AI einen Brenner mit einem keramischen Rekuperator, der durch ein rohrförmiges Keramikelement gebildet ist. Dieses ist sowohl an der Rohr¬ außenseite als auch an der Rohrinnenseite mit zapfenartigen Vorsprüngen versehen, die der Vergrößerung der Oberfläche des Rekuperatorrohrs dienen. Die Außenseite des Rekupera¬ torrohrs wird von Abgas umspült. Im Gegenstrom strömt auf¬ zuwärmende Luft an der Innenseite des Rekuperatorrohrs in den Ofenraum. Mit einem solchen als Gegenstromwärmetauscher arbeitenden keramischen Rekuperator lässt sich Abgaswärme aus sehr heißen Abgasen von beispielsweise 1250°C zurückge¬ winnen. Es wird erfahrungsgemäß ein feuerungstechnischer Wirkungsgrad von 65% bis 70% erreicht.
[004] Aus der DE 1232304 A ist ein Rekuperatorbrenner zur Beheizung eines Strahlrohrs bekannt, wobei dieser Rekupera¬ torbrenner zur Kühlung des mauerseitigen Flansches und der Mauer einen frischluftdurchströmten Wärmetauscher aufweist, der das Rekuperatorrohr konzentrisch umgibt.
[005] Weiter ist aus der EP 1 995 516 Bl ein Rekuperator- brenner bekannt, der zur Luftvorwärmung ein Bündel abge¬ flachter, Frischluft führender Rohre aufweist, die in einem dem Ofenraum verlassenden Abgasstrom in einem Ringraum an¬ geordnet sind. Mit diesem Rekuperator lässt sich die Luft- vorwärmung verbessern und der Wirkungsgrad auf über 80% steigern. Allerdings ist der Einsatz auf Abgastemperaturen bis etwa 1000°C begrenzt. Damit stellt sich insbesondere bei Industriebrennern geringerer Leistung von unter 200 kW das Problem mit vertretbarem Aufwand und bei hohen Abgas¬ temperaturen einen hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad zu erreichen. Insbesondere werden bei Abgastemperaturen von über 1000°C feuerungstechnische Wirkungsgrade von über 80% angestrebt .
[006] Diese Aufgabe wird mit dem Rekuperatorbrenner nach Anspruch 1 gelöst:
[007] Der Rekuperatorbrenner weist eine Wärmerückgewin¬ nungsanordnung mit einem Rekuperator und einenden Rekupera¬ tor ringförmig umschließenden Zusatzwärmetauscher auf, wo¬ bei der Rekuperator und der Zusatzwärmetauscher sowohl von den Abgasen als auch von der Frischluft jeweils seriell durchströmt sind. Damit wird zuströmende Frischlauft zu¬ nächst von dem Zusatzwärmetauscher und dann von dem Rekupe¬ rator erwärmt. Abströmendes Abgas wird zunächst in dem Re¬ kuperator und dann in dem Zusatzwärmetauscher gekühlt.
[008] Durch die Aufsplittung der Wärmerückgewinnungsan¬ ordnung in zwei unterschiedlich gestaltete Wärmetauscher, nämlich einen Rekuperator, der für hohe Temperaturen geeig¬ net ist, und einen Zusatzwärmetauscher, der für weniger ho¬ he Temperaturen geeignet - dafür aber auf höchste Effizienz ausgelegt ist, wird eine Wärmerückgewinnungsanordnung er¬ halten, die sowohl heißgastauglich ist wie auch einen hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad von über 80% ermöglicht. Zur Erreichung dieses Ziels trägt im Weiteren bei, dass der Rekuperator in einem zentralen Durchgang des ringförmigen Zusatzwärmetauschers angeordnet ist. Die aus einem Ende des Rekuperators austretenden noch heißen Abgase durchströmen den Zusatzwärmetauscher dann in einer anderen, vorzugsweise in der entgegengesetzten Richtung. Ungenutzte Wärmeverlus¬ te, d.h. Wärmeabstrahlung in die Umgebung, lässt sich somit minimieren. Außerdem trägt diese Maßnahme zur kompakten Bauform des Brenners, insbesondere im Bereich des Brenner¬ kopfs bei. Der Rekuperator ist zu einem erheblichen Teil im Brennerkopf angeordnet. Es sind somit Bauformen möglich, bei denen der Rekuperator die Ofenwand nicht oder nur wenig durchragt .
[009] Die Strömungsrichtungen der den Brenner zugeführten Luft sind in dem Zusatzwärmetauscher und dem Rekuperator ebenfalls unterschiedlich, vorzugsweise einander entgegen¬ gesetzt. Dies ermöglicht es, der Wärmerückgewinnungsanord¬ nung Frischluft in der Nähe der Ofenwand zuzuführen, um dort Kühleffekte zu bewirken. Beispielsweise kann der Bren¬ nerflansch gekühlt und hier dem System so entzogene Wärme dem System zurückgeführt werden. Dies hat insbesondere bei Strahlrohren den Vorteil, den relativ heißen Flansch des die Ofenwand durchragenden Strahlrohrs auf erträglichen Temperaturen halten zu können.
[0010] Es ist möglich für den Flanschkühler einen Bypass- kanal vorzusehen, so dass lediglich ein Teil der dem Bren¬ ner insgesamt zugeführten Luft durch den Flanschkühler strömt und ein anderer Teil der Wärmetauscheranordnung di¬ rekt zugeführt wird.
[0011] Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Zu- sat zwärmetauscher eine spezifische Wärmeübertragungsfläche von wenigstens 0,04 m2/kW auf. Dies wird vorzugsweise mit einem Gegenstromwarmetauscher aus Metallrohren oder auch Metallblech erreicht. Mit dieser spezifischen Wärmeübertra¬ gungsfläche des Zusatzwärmetauschers kann im Zusammenspiel mit einem Rekuperator aus Keramik oder Metall ein Feue¬ rungswirkungsgrad von mehr als 80% erreicht werden.
[0012] Der Zusatzwärmetauscher weist vorzugsweise mehrere zueinander parallele Luftkanäle auf. Diese können zum Bei¬ spiel durch Rohre gebildet sein, die in einem Abgaskanal angeordnet sind. Als Rohre kommen insbesondere Flachrohre mit unrunden Luftkanälen in Betracht. Vorzugsweise weisen die Flachrohre spaltartige Kanäle auf, um ein besonders ho¬ hes Flächen/Volumen-Verhältnis zu erhalten. Ein so ausge¬ bildeter Zusatzwärmetauscher aus Metall kann bei geringem Bauvolumen einen hohen Übertragungswirkungsgrad erzielen.
[0013] Der ringförmige Zusatzwärmetauscher kann eine Bau¬ einheit sein oder aus mehreren segmentartigen Baueinheiten bestehen, die zusammengesetzt den ringförmigen Wärmetau¬ scher ergeben. Anstelle einer geschlossenen Ringanordnung kann der Wärmerauscher auch die Form eines geschlitzten o- der teilweisen offenen Rings aufweisen.
[0014] Der Rekuperator wird vorzugsweise durch einen innen von Luft und außen von Abgas durch- bzw. umströmtes Rohr gebildet, das aus Keramik oder einem hochtemperaturfesten Metall besteht. Das Rekuperatorrohr ist vorzugsweise ein Profilrohr, das nach innen und/oder außen vorstehende Vor¬ sprünge aufweisen kann, um die Wärmeübertragung zwischen heißen Abgasen und bereits vorgewärmter Luft zu verbessern.
[0015] Der sich durch den Zusatzwärmetauscher erstreckende Rekuperator ist vorzugsweise gegen einen an dem Zusatzwär¬ metauscher vorgesehenen Sitz federnd gespannt und abgedich¬ tet. Für die Wartung kann der Rekuperator in einfacher Wei- se ausgebaut werden. Außerdem kann er auf diese Weise span- nungsarm gehalten werden.
[0016] Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht außerdem die Anordnung der Wärmetauscheranordnung in einem frisch- luftdurchströmten Gehäuse, das auf diese Weise auf niedri¬ gen Temperaturen gehalten wird. Die durch das Gehäuse ge¬ führte Frischluft kann der Wärmetauscheranordnung zugeführt werden .
[0017] Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsfor¬ men der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Be¬ schreibung oder Ansprüchen. Es zeigen:
[0018] Figur leinen erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenner, in vereinfachter Längsschnittdarstellung an einer Ofenwand.
[0019] Figur 2 den Rekuperatorbrenner nach Figur 1 im Quer¬ schnitt, geschnitten entlang der Linie II-II und
[0020] Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Wär¬ meleistung und Temperaturverlauf bei der Wärmetauscherano¬ rdnung des erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenners.
[0021] In Figur 1 ist ein Rekuperatorbrenner 10 veran¬ schaulicht, der zur Beheizung eines von einer Ofenwand 11 umschlossenen Ofenraums 12 vorgesehen ist. Der Brenner 10 erstreckt sich durch eine in der Ofenwand 11 vorgesehene Öffnung 13, an der der Rekuperatorbrenner 10 befestigt ist. Der Rekuperatorbrenner 10 weist einen Brennerkopf 14 auf, dessen Gehäuse 15 mit einem Flansch 16 an der Ofenwand 11 gehalten ist. An dem von dem Ofenraum 12 abgewandten Ende der Öffnung 13 ist ein Sitz 17 zur Aufnahme eines Flansches eines Strahlrohrs 18 vorgesehen, das sich durch die Öffnung 13 erstreckt und dazu dient, Strahlungswärme in den Ofen¬ raum 12 hinein abzugeben. Das Strahlrohr 18 ist von innen her vorzugsweise mittels flammenloser Oxidation, und gege¬ benenfalls jedoch auch anderweitig beheizt.
[0022] Das Gehäuse 15 umschließt einen Raum, in dem eine Wärmetauscheranordnung 19 angeordnet ist. Diese dient dazu Frischluft, die dem Gehäuse 15 über einen Luftanschluss 20 zugeführt ist, mittels Abgaswärme zu erhitzen. Das Abgas verliert dadurch Wärme und verlässt die Wärmetauscheranord¬ nung 19 sowie das Gehäuse 15 an einem Abgasanschluss 21.
[0023] Zu der Wärmetauscheranordnung 19 gehört ein Rekupe¬ rator 22, mit einem Rekuperatorrohr 23, das sich vorzugs¬ weise koaxial zu dem Strahlrohr 18 wenigstens teilweise in dieses hinein erstreckt. Das Rekuperatorrohr 23 kann ein Metallrohr oder für hohe Abgastemperaturen auch ein Kera¬ mikrohr sein. Es kann als glattwandiges Zylinderrohr oder wie dargestellt als profiliertes Rohr mit radial nach innen und/oder außen vorstehenden Vorsprüngen 24, zum Beispiel in Gestalt von hohlen Zacken oder dergleichen, ausgebildet sein. Das Rekuperatorrohr 23 umschließt mit seiner Innen¬ seite einen Luftkanal 25.
[0024] Außen wird der Rekuperator 22 von einem Zusatzwär- metauscher 26 umschlossen, dessen rohrartige innere Wand 27 zusammen mit dem Rekuperatorrohr 23 einen Abgaskanal 28 be¬ grenzt. Der Abgaskanal 28 und der Luftkanal 25 sind in Ge¬ genrichtung durchströmt. Die Strömungsrichtung im Luftkanal
25 ist vom Brennerkopf 14 zu dem Strahlrohr 18 hin festge¬ legt (Pfeil 29), während die Strömungsrichtung des Abgases aus dem Strahlrohr 18 heraus zu dem Brennerkopf 14 hin festgelegt ist (Pfeil 30).
[0025] Radial nach innen ist der Luftkanal 25 des Rekupe¬ rators 22 durch ein Rohr 31 von einer oder mehreren Gaslei¬ tungen 32, 33 oder sonstigen Brennstoffleitungen getrennt, die verschiedenen Betriebsarten ermögliche, wie Aufheizbe¬ trieb oder flammenloser Betrieb.
[0026] Das Rekuperatorrohr 23 weist an seinem von dem Strahlrohr 18 entfernt liegenden Ende einen Flansch 34 oder sonstigen Anschluss auf, mit dem es an einen Sitz des Zu- sat zwärmetauschers 26 gehalten ist. Der Sitz kann durch ei¬ ne ebene, konische oder anderweitig ausgebildete Ringfläche an einer oberen Gehäusefläche 35 des Zusatzwärmetauschers
26 Ausgebildet sein. Vorzugsweise wird der Flansch 34 durch federnd gespannte Bolzen 36 oder ähnliche Mittel gegen den Sitz gedrückt. Die Bolzen 36 können sich durch einen an ei¬ nem Gehäusedeckel 37 gehaltenen Isolatorkörper 38 erstre¬ cken. Durch Abnehmen des Gehäusedeckels 37 liegt der
Flansch 34 des Rekuperatorrohrs 23 frei, so dass dieses zu Wartungs- und Inspektionszwecken zugänglich ist.
[0027] Der Zusatzwärmetauscher 26 weist mindestens einen, vorzugsweise mehrere Luftkanäle 39 auf, die vorzugsweise von abgeflachten Rohren 40 umschlossen sind. Diese erstre¬ cken sich zwischen der Gehäusefläche 35 und einem Gehäuse¬ boden 41. Die Rohre 40 können runde Enden aufweisen, um in der Platte bzw. Fläche 35 und dem Boden 41 in runden Öff- nungen dicht gefasst zu werden. In einem Abschnitt dazwi¬ schen sind die Rohre 40 jedoch vorzugsweise abgeflacht, so dass die Luftkanäle 39 spaltartig ausgebildet sind. Vor¬ zugsweise ist die Spaltweite auf einen Wert kleiner als 3 mm begrenzt, um einen intensiven thermischen Kontakt zwi¬ schen Luft und Rohrwand zu erreichen.
[0028] Die Rohre 39 sind in einem Abgaskanal 42 des Zu- sat zwärmetauschers 26 angeordnet, der in einer Richtung von dem Isolatorkörper 38 weg zu dem Gehäuseboden 41 hin von Abgas durchströmt ist. Die Rohre 40 sind in Gegenrichtung von Frischluft durchströmt. Der Abgaskanal 42 ist außen von einer Umfangswand 43 umschlossen, die mit dem Gehäuse 15 einen Frischluftkanal 44 begrenzt. Dieser führt zu einem Flanschkühler 45. Der Flanschkühler 45 weist einen Luftka¬ nal 46 auf, der sich an dem Flansch des Stahlrohrs 18 vor¬ bei in dieses hinein und von dort zu dem Zusatzwärmetau¬ scher 26 erstreckt.
[0029] Der insoweit beschriebene Rekuperatorbrenner arbei¬ tet wie folgt:
[0030] Zur Inbetriebnahme wird dem Luftanschluss 20 Luft und zunächst der Brennstoffleitung 32 Brennstoff zum Bei¬ spiel Gas zugeführt. Es zündet in dem strahlrohrseitigen Ende des Rekuperatorrohrs 23 durch eine entsprechende Zünd¬ einrichtung eine Flamme, die der Aufheizung des Strahl¬ rohrinnenraums dient. Ist dies erfolgt, wird Gas in die Brennstoffleitung 33 gegeben und die Gaszufuhr zu der
Brennstoffleitung 32 allmählich reduziert und abgeschaltet. Es bildet sich in dem Strahlrohr ein großräumiger, in Figur 1 durch Pfeile angedeuteter Heißgaswirbel aus, dem Brenn¬ stoff und Luft zugeführt werden, um flammenlos zu oxidie- ren. In dem Strahlrohr 18 herrschen Temperaturen von vor¬ zugsweise über 1000 °C. Abgas mit einer Abgastemperatur TAI von beispielsweise 1250°C strömt außen an dem Rekuperator¬ rohr 23 entlang durch den Abgaskanal 28. Figur 3 veran¬ schaulicht den Temperaturabfall des Abgases an dem Rekupe¬ ratorrohr 18. An dem offenen Ende der inneren Wand 27 tritt das etwas abgekühlte Abgas aus dem Abgaskanal 28 mit Rich¬ tungsumkehr in den Abgaskanal 42 des Zusatzwärmetauschers 26 über (Figur 1 Pfeil Bündel 47) . Es strömt dann durch den Abgaskanal 42 an den Rohren 40 entlang zu dem Anschluss 21 und verlässt dort deutliche abgekühlt mit einer Temperatur beispielsweise von 450°C den Anschluss 21.
[0031] Die dem Anschluss 20 zum Beispiel mit Umgebungstem¬ peratur TL1 (20°C) zugeführte Frischluft erwärmt sich in dem Frischluftkanal 44 zunächst nur leicht. Sie erreicht mit leicht erhöhter Temperatur von beispielsweise 50°C den Flanschkühler 45 und tritt dann auf zum Beispiel 250°C er¬ wärmt in die Luftkanäle 39 des Zusatzwärmetauschers 26 ein. Hier erwärmt sie sich auf ihrem Weg von Flansch des Strahl¬ rohrs 18 weg auf zum Beispiel 900°, wonach sie unter Rich¬ tungsumkehr in den Luftkanal 25 des Rekuperators 22 ein¬ strömt. Durch ihre hier bereits vorhandene hohe Temperatur werden die an dem Rekuperatorrohr 22 auftretenden thermi¬ schen Spannungen gering gehalten.
[0032] Auf ihrem Weg durch den Luftkanal 25 erwärmt sich die Luft weiter auf beispielsweise 1000°C. Die nachstehende Tabelle vergleicht den erfindungsgemäßen insoweit beschrie¬ benen beispielhaft für eine Nettoleistung von 60 kW ausge¬ bildeten erfindungsgemäßen Rekuperatorbrenner 10 mit einem herkömmlichen Rekuperatorbrenner ohne Zusatzwärmetauscher.
Rekuperatorbrenner
1. ohne mit Zusatz-WT
Wärmeübertragungsfläche m2 1 1+3,5
Abgaseintrittstemperatur TAI °C 1250 1250 Lufteintrittstemperatur TL1 °C 50 50
Abgasaustrittstemperatur TA2 °C 750 450
Luftvorwärmung TL2 °C 640 1000
FeuerungsWirkungsgrad 65 81
Brennstoffbedarf kW 92 74
Ersparnis - 19,5
Erdgaseinsparung bei 10kWh/m3 m3/h - 1,8
[0033] Die Erhöhung des Feuerungswirkungsgrads von 65% auf 81% hat eine deutliche Minderung des Brennstoffbedarfs zur Folge. Bei 5000 Betriebsstunden im Jahr ergibt sich eine Ersparnis von 9000 m3 Erdgas.
[0034] Zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Rekuperator¬ brennern, vorzugsweise über 80%, wird ein Rekuperatorbren¬ ner 10 mit einem Zusatzwärmetauscher 26 ausgestattet, der den Rekuperator 22 umschließt, wobei sowohl der Rekuperator als auch der Zusatzwärmetauscher vorzugsweise als reine Ge- genstromwärmetauscher ausgebildet sind, wobei dem Zusatz¬ wärmetauscher 26 die Luft auf der der Ofenwand 11 zugewand¬ ten Seite zugeführt wird. Die spezifische Wärmeübertra¬ gungsfläche des Zusatzwärmetauschers beträgt vorzugsweise mehr als 0,04 m2/kW Brennstoffleistung .
[0035] Zusätzlich kann das Gehäuse 15 um den Zusatzwärme¬ tauscher 26 mit kalter Luft von innen gekühlt werden. Au¬ ßerdem kann zumindest optional die Luft zunächst einem Flanschkühler 45 zugeleitet sein, um den Bereich des Flan¬ sches 16 vor der hier noch hohen Abgastemperatur zu schüt¬ zen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung des Strahl¬ rohrs 18 vorteilhaft.
[0036] Vorzugsweise wird das keramische Rekuperatorrohr 26 gegen eine austrittsseitige Fläche 35 des Zusatzwärmetau¬ schers 26 federnd gedrückt und abgedichtet. Dies kommt der Wartung zugute. Der Zusatzwärmetauscher 26 weist vorzugs¬ weise spaltförmige Luftkanäle 39 auf. Vorzugsweise sind diese in abgeflachten Rohren 40 ausgebildet.
Bezugszeichenliste :
10 Rekuperatorbrenner
11 Ofenwand
12 Ofenraum
13 Öffnung
14 Brennerkopf
15 Gehäuse
16 Flansch
17 Sitz
18 Strahlrohr
19 Wärmetauscheranordnung
20 Luftanschluss
21 Abgasanschluss
22 Rekuperator
23 Rekuperatorrohr
24 Vorsprünge
25 Luftkanal des Rekuperators 22
26 Zusatzwärmetauscher
27 innere Wand des Zusatzwärmetauschers 26
28 Abgaskanal des Rekuperators 22
29 Strömungsrichtung der Luft in dem Rekuperator
30 Strömungsrichtung des Abgases in dem Rekuperator
31 Rohr
32 Brennstoffleitung für Anheizbetrieb
33 Brennstoffleitung für flammenlosen Betrieb
34 Flansch
35 Gehäusefläche
36 Bolzen
37 Gehäusedeckel
38 Isolatorkörper
39 Luftkanäle des Zusatzwärmetauschers 26
40 Rohre Gehäuseboden
Abgaskanal des Zusatzwärmetauschers Umfangswand
Frischluftkanal
Flanschkühler
Luftkanal

Claims

Patentansprüche :
1. Rekuperatorbrenner (10), insbesondere für Industrie¬ öfen, mit einem Brennerkopf (14), der mittels eines Brenner¬ flansches (16) an einer Ofenwand (11) so befestigbar ist, dass sich der Brenner (10) durch eine Öffnung (13) der Ofenwand (11) erstreckt, die einen Ofenraum (12) begrenzt, mit einer Wärmerückgewinnungsanordnung (19) zur Bren- ner-Luftvorwärmung mittels Abgaswärme, wobei die Wär¬ merückgewinnungsanordnung (19) einen Rekuperator (22) und einen diesen ringförmig umschließenden Zusatzwär¬ metauscher (26) aufweist, die seriell durchströmt sind . wobei der Rekuperator (22) ein Gegenstromwärmetauscher ist, der mindestens einen Luftkanal (25) und mindes¬ tens einen Abgaskanal (28) aufweist, und wobei der Zusatzwärmetauscher (26) ein Gegenstromwär¬ metauscher ist, der mindestens einen Luftkanal (39) und mindestens einen Abgaskanal (42) aufweist, wobei der Abgaskanal (28) des Rekuperators (22) und der Abgaskanal (42) des Zusatzwärmetauschers (26) un¬ terschiedliche Durchströmungsrichtungen aufweisen, und wobei der Luftkanal (25) des Rekuperators (22) und der Luftkanal (39) des Zusatzwärmetauschers (26) unter¬ schiedliche Durchströmungsrichtungen aufweisen.
2. Rekuperatorbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Luftkanal (25) des Rekuperators (22) von aufzuwärmender Luft in einer Richtung in den Ofenraum (12) hinein durchströmbar ist und dass der Abgaskanal (28) des Rekuperators (22) in einer Rich¬ tung aus dem Ofenraum (12) hinaus von Abgas durch¬ strömbar ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (39) des Zusatzwärmetauschers (26) von aufzuwärmender Luft in einer Richtung von der Ofenwand (11) weg durch¬ strömbar ist und dass der Abgaskanal (42) des Zusatz¬ wärmetauschers (26) in einer Richtung zu der Ofenwand (11) hin von Abgas durchströmbar ist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetau¬ scher (26) eine spezifische Wärmeübertragungsfläche von wenigstes 0,04 m2/kW Brennstoffleistung aufweist.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetau¬ scher (26) mehrere parallele Luftkanäle (39) aufweist.
Rekuperatorbrenner einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetauscher (26) mehrere Flachrohre (40) mit unrunden Luftkanälen (39) aufweist, die in dem mindestens einen Abgaskanal (42) angeordnet sind.
Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (22) ein Rekuperatorrohr (23) aufweist, das den Luftkanal (25) des Rekuperators (22) umschließt und dessen Au¬ ßenseite den Abgasstrom berührt.
8. Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (22) durch ein Profilrohr (23) gebildet ist.
9. Rekuperatorbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Profilrohr (23) radial nach innen und/oder außen vorstehende Vorsprünge (24) aufweist.
10. Rekuperatorbrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Rekuperatorrohr (23) aus Kera¬ mik ausgebildet ist.
11. Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetau¬ scher (26) einen Sitz für einen Flansch (34) des Reku- perrators (22) aufweist, der federnd gegen den Sitz gespannt ist.
12. Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (22) und der Zusatzwärmetauscher (26) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
13. Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Brenner¬ flansch (16) ein Flanschkühler (45) angeordnet ist, der einen Kühlluftkanal (46) aufweist.
14. Rekuperatorbrenner nach Anspruch 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Kühlluftkanal (46) mit dem Luftka¬ nal (39) des Zusatzwärmetauschers (26) verbunden ist.
15. Rekuperatorbrenner nach einem der vorstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (14) in Gehäuse (15) aufweist, das einen Frischluftkanal (44) umschließt.
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