Die Erfindung betrifft einen Plattenkühler aus Gussmaterial mit eingegossenen Kühlrohren für die Wasserkühlung von metallurgischen Öfen, insbesondere Kochöfen.

Bekannte Plattenkühler bzw. «stave cooler» bestehen aus einem Gusseisenkörper, in welchem Stahlrohre angeordnet sind, durch die ein Kühlmittel, das heisst in den meisten Fällen Wasser oder ein Wasserdampf-Wasser-Gemisch fliesst. Der Querschnitt der Kühlrohre ist kreisförmig. Der Gusskörper des Plattenkühlers weist häufig an der dem Ofeninneren zugewandten Seite Aussparungen zur Einbringung feuerfesten Materials auf.

Die bekannten Plattenkühler sind im Laufe der letzten 15 Jahre weiter entwickelt worden, um ihre Betriebssicherheit und thermische Belastbarkeit zu verbessern. Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit hat man u.a. den Weg beschritten, den Durchmesser der Kühlrohre zu vergrössern, um dadurch das Verhältnis Kühlfläche zur Heizfläche zu erhöhen. Als Kühlfläche wurde die Mantelfläche der Kühlrohre im geraden Teil innerhalb des Plattenkühlers bezeichnet, als Heizfläche die zum Ofeninneren zeigende Vorderseite des Plattenkühlers.

Kühlrohre in Plattenform mit vergrössertem Durchmesser bewirken eine Absenkung der Plattenkühlertemperaturen bei gleichbleibender Wärmebelastung, oder sie haben eine Erhöhung der übertragbaren Wärmeströme bei gleichbleibenden Maximaltemperaturen zur Folge. Dies geschieht aus folgendem Grunde:

• 1. Der grössere Kühlrohrdurchmesser beschneidet das logarithmische Temperaturprofil in der Rohrumgebung, und zwar im steilsten Teil.
• 2. Es wird die mit einem relativ hohen spezifischen Wärmedurchgangswiderstand behaftete Übergangszone Kühlrohr/Gusskörper vergrössert, so dass sich der integrale Wärmedurchgangswiderstand entsprechend verringert.

Die zuvor geschilderten Weiterentwicklungsmassnahmen brachten zwar den erstrebten Erfolg, indem sich mit der Vergrösserung des Durchmessers der Kühlrohre die Kühlfläche proportional erhöhte, doch gleichzeitig wurde mit steigenden Kühlrohrdurchmesser der Querschnitt der Kühlrohre quadratisch erhöht. Da nun bei der Wasserkühlung die Einhaltung einer bestimmten Wassergeschwindigkeit erforderlich ist, um ein Eintreten von Filmsieden bei starker Belastung zu vermeiden, musste die Wassergeschwindigkeit in den Kühlrohren mindestens 1,2 bis 1,5 m/sec. betragen und daher entsprechend dem vergrösserten Kühlrohrdurchmesser eine überproportional anwachsende Kühlwassermenge in Kauf genommen werden.

Aufgrund derart hoher Kühlwassermengen mussten die Zu- und Ablaufleitungsquerschnitte, die Rückkühlerabmessungen, die Pumpenabmessungen und Antriebsleistungen der Pumpen entsprechend vergrössert werden. Dies musste geschehen, obgleich andererseits derart hohe Kühlwassermengen von Wärmeangebot her gar nicht erforderlich sind, das heisst die Aufheizspanne des Kühlwassers ist bei weitem geringer als dies von der Wasserqualität her zulässig wäre.

In der DE-A-2 942121 wird eine Ofenanlage zum Schmelzen von Erzkonzentrat beschrieben, bei der an der thermisch beanspruchten Seite der Tragkonstruktion der Ofenwände, insbesondere Trennwände, einzelne vom Kühlmedium durchströmte Kühlelemente lösbar befestigt sind. Diese Trennwände sollen trotz vorhandener Kühlkanäle eine hohe Festigkeit aufweisen, einfach montierbar sein und Wärmespannungen ausgleichen können. Einige Kühlmittelkanäle bestehen jeweils aus einem flach gewalzten Kupferrohr, das in die kupfernen Kühlelemente eingegossen ist.

In der EP-A-0 012 132 werden metallische Kühlelemente für Industrieöfen beschrieben, die eine an der Oberfläche erscheinende Auskleidung aus feuerfestem Material tragen. Sie sind ganz aus Kupfer, bestehen aus einem abgeflachten Körper mit mindestens einer Wasserumlaufleitung ungefähr rechtwinkligen Querschnitts sowie aus einer Vielzahl von horizontalen Rippen zur Verstärkung des Körpers. Das Element besitzt an seiner Heissseite vier durch Rippen und Seitenwände abgegrenzte Fächer, die mit feuerfestem Material gefüllt sind. In der Beschreibung heisst es u.a., dass die Lamellenkühlung in der Wasserumlaufkammer eine ausreichende wirksame Wärmeabführung mit geringen Kühlwasser-Durchsatzmengen gestattet, wobei die Geschwindigkeit des Wassers an jeder Stelle des Kreislaufs aufgrund der Kreislaufform immer genügend hoch bleibt.

Aufgabe der Erfindung war es, einen Weg zu suchen, wie bei unveränderter Kühlfläche, d.h. unveränderter Oberfläche des Kühlrohres dessen Querschnitt verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung in der Weise gelöst, dass die Kühlrohre am Einlauf und Auslauf einen kreisförmigen Querschnitt und im geraden Teil innerhalb des Kühlers einen länglichrunden Querschnitt aufweisen, wobei das Achsenverhältnis b:a beim länglichrunden Querschnitt zwischen 1:1,2 bis 1:15 beträgt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Druckverlusterhöhung ist bei einem nicht kreisförmigen Querschnitt der Kühlrohre unbedeutend. So erhöht sich z.B. bei einer Wassergeschwindigkeit von 1,5 m/sec. und einem Übergang vom runden Rohr mit 76,1 mm Aussendurchmesser und 6,3 mm Wandstärke zu einem elliptischen Rohr mit einem Achsenverhältnis (innen) 1:3 von 48 mm WS auf 66 mm WS je lfdm., d.h. um ca. 40%. Bei einem 15 m langen Rohrstrang ergibt dieses einen zusätzlichen Druckverlust von nur etwa 270 mm WS. Dieser Mehrbetrag ist in der Praxis vernachlässigbar. Der Durchsatz an Wasser vermindert sich um 35%.

Da es ausreicht, wenn die Kühlrohre nur in ihrem geraden Teil innerhalb des Kühlers einen länglichrunden, elliptischen oder ellipsenähnlichen Querschnitt besitzen, während Kühlrohreinlauf und -auslauf einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wird die Herstellung der Schweissverbindungen zur Aussenverrohrung erleichtert.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

• Fig. 1 einen Schnitt eines konventionellen Plattenkühlers mit kreisrunden Kühlrohren,
• Fig. 2 einen Schnitt eines erfindungsgemässen Plattenkühlers mit Kühlrohren elliptischen Querschnitts,
• Fig. 3 einen Schnitt eines Plattenkühlers mit Kühlrohren länglichrunden Querschnitts,
• Fig. 4 einen Schnitt eines Plattenkühlers mit Kühlrohren länglichrunden Querschnitts, die winklig zur Heissseite geneigt sind und
• Fig. 5 in einem Schaubild die Änderung der Querschnittsflächen in Abhängigkeit vom Achsenverhältnis für abgeplattete Querschnitte.

Nach Fig. 1 weisen die Kühlrohre 2, die in den Plattenkühlerkörper 1 eingegossen sind, einen kreisförmigen Querschnitt auf. Am Einlauf und Auslauf der Kühlrohre 2 in den Plattenkühlerkörper 1 sind diese von Schutzrohren 3, die ebenfalls eingegossen sind, umgeben. Mit 4 ist die dem metallurgischen Ofen zugewandte Heissseite des Plattenkühlers bezeichnet. Fig. 1 dokumentiert den Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt im geraden Teil des Plattenkühlerkörpers 1 Kühlrohre 2 mit elliptischem Querschnitt. Auf der linken Hälfte von Fig. 2 ist der Übergang der Kühlrohre vom kreisförmigen auf den elliptischen Querschnitt innerhalb des Plattenkühlerkörpers gezeigt.

Fig. 3 und 4 zeigen Anordnungen von Kühlrohren 2 mit länglichrundem Querschnitt. Gemäss Fig. 4 sind die Kühlrohre 2 in ihrem Abstand zur Heissseite 4 des Plattenkühlers in einem Winkel von ca. 45° geschwenkt angeordnet. Diese Anordnung verbessert die Temperatur- und Spannungsverhältnisse im Plattenkühler.