Thermische Auslegung eines Gaslufterhitzers

Der im oberen Bild im Schnitt dargestellte Gaslufterhitzer mit einer Heizleistung von bis zu 3 [MW] soll zur Erhitzung von Prozessluft in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Die zylindrische Brennkammer ist von mehreren konzentrischen zylindrischen Blechrohren umschlossen. Dadurch werden abwechselnd Ringspalte für die Rauchgas- und Prozessluftströmung voneinander abgegrenzt. Teilweise sind diese Ringspalte zusätzlich mit Wendeln versehen.

Vor dem Aufbau eines Prototyps mit erhöhter Heizleistung sollte über gekoppelte Thermo-Fluid-Simulationen rechnerisch geprüft werden, ob der angestrebte Wirkungsgrad und die angestrebte Prozesslufttemperatur erreicht werden.

In der mittleren Abbildung ist beispielhaft die Temperaturverteilung über dem innersten, den Verbrennungsraum umschließenden Zylinderrohr sowie der daran angeschweißten Wendel zur Prozessluftführung dargestellt. Die Temperaturmaxima befinden sich im linken Bildbereich benachbart zur Flamme sowie am rechten Rohrende, das durch die Prozessluft weniger effektiv gekühlt wird.

In der unteren Abbildung ist die Geschwindigkeitsverteilung über der Prozessluft dargestellt. Die Frischluft strömt von rechts im äußersten Ringspalt spiralförmig nach links. In zwei weiteren Ringspalten strömt sie nach rechts und schließlich spiralförmig wieder nach links. Die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten treten im linken Bereich des innersten Ringspalts auf. Hier ist der Strömungsquerschnitt stark reduziert, die Lufttemperatur maximal und die Strömung zudem drallbehaftet. Die Wendeln erweisen sich als sehr effektiv, tragen aber auch nennenswert zum Druckverlust bei.

Nach einer Optimierung der Zylinderlängen und durchmesser, der Spaltmaße und der Wendelsteigungen erfüllt der Gaslufterhitzer alle an ihn gestellten Anforderungen hinsichtlich Wirkungsgrad, Prozesslufttemperatur und Druckverlust.