DE1451265C - Verfahren zum Betrieb von mit beweglichen Masseteilchen als Wärmeträger arbeitenden Apparaten, vorzugsweise Wärmeaustauschern, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Bekanntlich ergeben sich bei mit Masseteilchen als Wärmeträger arbeitenden Wärmetauschern, ferner bei chemischen Anlagen mit durch eine Masseteilchenschicht geführten gasförmigen Medien optimale Verhältnisse für den Wärmetausch bzw. die Gasströmung und gegebenenfalls die gleichmäßige Herbeiführung chemischer Reaktionen, wenn das Gas im Gegenstrom durch die Masseteilchen hindurchgeführt wird, die sich unter der Wirkung der Schwerkraft entgegen dem Gasstrom von oben nach unten be- ίο wegen. Weisen nun die Masseteilchenschichten in Strömungsrichtung der Teilchen nur eine geringe Erstreckung auf, während sie andererseits senkrecht zur Bewegungsrichtung des Gases und der Masseteilchen eine große Flächenausdehnung aufweisen — was gegen des geringen Druckverlustes günstig ist —, so stellt es ein überaus schwieriges Problem dar, in der großflächigen Masseteilchenschicht eine völlig gleichmäßige, geregelte Bewegung aller Masseteilchen zu erzielen.

Zum Stande der Technik ist zu verweisen auf ein nach dem Gegenstromprinzip arbeitendes Wärmetauschverfahren für Hydrierungs-, Dehydrierung-, Crackanlagen od. dgl. (USA.-Patentschrift 2 425 969), nach welchem die zu behandelnden Kohlenwasserstoffdämpfe im unteren Bereich des Reaktionsbehälters nicht durch die Ablaufrohre der im Gegenstrom zu den Dämpfen abrieselnden Reaktionsmasse zugeleitet werden, sondern durch hierzu benachbarte Stellen, die zu diesem Zweck zwar gasdurchlässig, nicht jedoch masseteilchendurchlässig sind. Diese Maßnahme erbringt jedoch keine definierte Abhängigkeit des Masseteilchendurchsatzes vom Gasdurchsatz, da die Reaktionsmasse auch ohne Gegenströmung der Dämpfe durch ihre Auslaßrohre abrieseln würde. Das bekannte Verfahren arbeitet somit zwar mit feststehenden Wandteilen am Grunde der Masseteilchenschicht, nicht jedoch mit einzelnen Wirbelzonen, vielmehr wird der Durchsatz durch die Umlaufgeschwindigkeit aufwendiger, den Behälter 4<> durchdringender Förderschnecken verändert, welche die Masseteilchen entgegen ihrer Bewegungsrichtung vom unteren zum oberen Behälterbereich zurückfördern. Hier wird demnach zwar bereits ein in Wärmetausch mit den Masseteilchen stehendes Gas im Gegenstrom durch die sich in Richtung der Schwerkraft in Form einer Schüttung durch die Reaktions- bzw. Wärmetauschkammer bewegenden Masseteilchen geleitet und werden die Masseteilchen am Grunde der Kammer durch gas- und masseteilchendurchlässige Bodenteile abgeführt. Die Zuleitung des Gases und die Abführung der Masseteilchen werden jedoch innerhalb der betreffenden Bodenbereiche jeweils getrennt gehalten, so daß diese Bereiche keine Durchsatzregeleinrichtung darstellen. Eine etwaige Durchsatzregelung der Masseteilchen mit derartigen Bodenteilen wurde bisher in der Weise erzielt, daß die Bodenteile bewegbar vorgesehen wurden, so daß sie durch fortlaufende Bewegung (Vibration oder Rotation) mit steuerbarer Geschwindigkeit mehr oder weniger Masseteilchen abregnen ließen. So sind bei einem bekannten Speicherteilchen-Wärmetauscher (deutsche Patentschrift 1 076 721) jeweils in der oberen Hälfte der Wärmetauschkammern hin und her bewegbare bzw. schwingende Rinnen angeordnet, deren Hub/oder Frequenz zum Zwecke der Durchsatzregelung der Masseteilchen regelbar ist, wobei es sich um schlauchförmige Wärmetauschkammern relativ großer Höhe und geringen Querschnittes handelt. Nachteilig ist hierbei, daß die dem Masseteilchenstrom unmittelbar ausgesetzten bewegten Rinnen einen aufwendigen mechanischen Antrieb erfordern und insbesondere bei hohen Temperaturen einem großen Verschleiß unterliegen. Außerdem würde bei einer an sich vorteilhaften Vergrößerung der Querschnittsfläche der Wärmetauschkammern eine entsprechende Vergrößerung der beweglichen Rinnensysteme erforderlich sein, um ein gleichmäßiges Abströmen über den Gesamtquerschnitt zu erreichen, was eine Vervielfachung des Aufwandes der mechanisch bewegten Regelelemente bedeuten würde. Die gleichen Nachteile treffen für einen weiteren bekannten Wärmetauscher (deutsche Patentschrift 920 488) zu, welcher zum Zwecke der Durchsatzregelung einen Absperrschieber mit nachgeschaltetem Zellenrad aufweist, welche Organe in einem engen Abströmkanal einer schlauchartigen Masseteilchenschicht relativ hohen Druckverlustes angeordnet sind. Auch ist bereits vorgeschlagen worden, zur Durchsatzregelung der Masseteilchen von Wärmetauschern mit im Verhältnis zur Schichthöhe großflächiger Masseteilchenschicht bewegliche Roste, insbesondere kippbare und schwingende Rostelemente, vorzusehen, durch deren Bewegungsgeschwindigkeit der Masseteilchendurchsatz beeinflußt werden kann. Indessen bereitet auch hier, wie bereits erwähnt, die Ausführung solcher Durchsatzregeleinrichtungen für großflächige Masseteilchenzonen, insbesondere bei hohen Temperaturen, erhebliche Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betriebe von mit beweglichen Masseteilchen als Wärmeträger arbeitenden Apparaten, vorzugsweise Wärmetauschern, anzugeben, durch welches eine Beeinflussung des Masseteilchendurchsatzes mit wesentlich einfacheren Mitteln, d. h. insbesondere ohne rotierende oder vibrierende Teile, ermöglicht ist _:und das deshalb bei großflächigen Masseteilchenschichten mit besonderem Vorteil anwendbar ist. Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß für eine Regelung des Masseteilchendurchsatzes die die Masseteilchenschicht abstützenden gas- und zugleich masseteilchendurchlässigen Wandteile, Gitter od. dgl. feststehen können und das im Wärmeaustausch mit den Masseteilchen befindliche Gas selbst zu einer definierten Beeinflussung des Masseteilchendurchsatzes herangezogen werden kann, dann nämlich, wenn man die kinetische Energie des anströmenden Gases innerhalb räumlicheng begrenzter Zonen am Grunde der Masseteilchenschicht ausnutzt.

Hierbei wird ausgegangen von einem Verfahren zum Betrieb von mit beweglichen Masseteilchen als Wärmeträger arbeitenden Apparaten, vorzugsweise Wärmetauschern mit im Verhältnis zur Schichthöhe großflächiger Masseteilchenschicht, bei denen ein im Wärmetausch mit den Masseteilchen stehendes Gas im Gegenstrom durch die sich in Richtung der Schwerkraft in Form einer Schüttung durch Reaktions- bzw.· Wärmetauschkammern bewegenden Masseteilchen geleitet wird und die Masseteilchen am Kammerboden durch ein aus gas- und zugleich masseteilchendurchlässigen Bodenteilen bestehendes Kanalbett abgestützt werden, welches der Durchsatzregelung der Masseteilchen dient. Die Erfindung besteht nun darin, daß die Masseteilchen am

Kammerboden in Form mehrerer einzelner Haufwerke (Schüttkeile) gruppiert werden, innerhalb welcher die Masseteilchen bei Unterbrechung der Gasströmung gegeneinander verklemmt und so gegen das Abrieseln festgehalten werden, und daß die Masseteilchen durch die Gasströmung aus dem Verband dieser Haufwerke befreit und innerhalb mehrerer einzelner, den Haufwerken benachbarter Wirbelzonen einer Aufwirbelung bei gleichzeitigem Abrieseln unterworfen werden, wobei die Menge der abrieselnden Masseteilchen in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz gebracht ist. Hiermit kann eine sich über die gesamte Grundfläche der Masseteilchenschicht gleichmäßig auswirkende Grundregelung erzielt werden, ohne daß die gleichmäßige Abfließbewegung der Masseteilchen über den einzelnen Haufwerken und Wirbelzonen und damit die gleichmäßige Temperaturverteilung der Schicht beeinträchtigt wird, wobei das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil der Selbstregelungsmöglichkeit in sich einschließt, d. h. Ungleichmäßigkeiten des Masseteilchenabflusses über die gesamte Schicht gesehen und damit Schichtdicken-Änderungen eliminiert werden können, wodurch der Betrieb großflächiger Wärmetauschschichten unter Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Schichtdicke ohne aufwendige mechanische Antriebe und Kontrollorgane ermöglicht wird. Hierdurch unterscheidet sich die Erfindung auch wesentlich von einem bekannten Verfahren zum Entgasen bzw. thermischen Spalten von Brennstoffen (deutsche Patentschrift 969 196), nach welchem eine Förderung des Durchlaufes bzw. eine Zerstörung etwaiger Brückenbildungen oder sonstiger Hemmungen erhitzter körniger Wärmeträger dadurch beseitigt werden soll, daß am Unterende oder an sonstigen Stellen des Vergasungsraumes irgendwelche gasförmigen Mittel mit höherem Druck eingeführt werden, so daß eine Auflockerung des Schachtinhaltes, unter Umständen sogar eine Durchwirbelung, stattfindet. Da sich hierbei das Gas völlig regellos seinen Weg durch den Schachtinhalt bahnt bzw. den gesamten Schachtinhalt einer Aufwirbelung unterwirft, kann sich quer zur Bewegungsrichtung der Masseteilchen keine gleichmäßige Temperaturverteilung und in Richtung der Bewegung keine gleichmäßige Temperaturveränderung einstellen; dies sind aber Voraussetzungen, die zur Durchführung eines mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden Gegenstromprinzips unbedingt erfüllt sein müssen. Die geschilderten Nachteile weist auch ein anderes bekanntes Verfahren zur Behandlung körniger Stoffe (schweizerische Patentschrift 296 419) auf, nach welchem die gesamten im Wärmetauschbehälter befindlichen Masseteilchen durch eine aufwärts gerichtete Gasströmung nur so weit angehoben bzw. aufgewirbelt werden, daß der Druck, den die Masseteilchen nach unten ausüben, sich wesentlich vermindert. Der gesamte Behälterinhalt wird hierbei in einen Schwebezustand überführt, der zwar für das Materialfließvermögen günstig sein mag, jedoch zur Durchführung eines definierten Gegenstrom-Wärmetausches ungeeignet ist. Mit einer ungeordneten Bewegung aufgewirbelter Masseteilchen im gesamten Behälter arbeiten ferner auch andere bekannte Kühleinrichtungen für pulverförmiges Material, wie insbesondere Zement (französische Patentschrift 1 300 991, USA.-Patentschrift 3 002 289), um eine leichte Bewegung des lufthaltigen Teilchengemisches möglich zu machen. Diese bekannten Kühleinrichtungen berühren demgemäß die Erfindung gleichfalls nicht.

Charakteristisch ist demgegenüber für das erfindungsgemäße Verfahren, daß die Menge der aus einer Schicht abströmenden Masseteilchen direkt von der Gasgeschwindigkeit und damit — bei gegebener Anströmfläche — von der Gasmenge abhängig ist, die entgegengesetzt zur Bewegung der Masseteilchen diese durchströmt. Diese Wirkungsweise läßt sich weitgehend zur Regelung verwenden und schließt, wie erwähnt, den Vorteil der Selbstregelungsmöglichkeit ein. Hierzu wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, nach einer solchen Charakteristik zu arbeiten, daß beginnend bei einem minimalen zum Abrieseln der Masseteilchen erforderlichen Grenzwert der Gasgeschwindigkeit die je Zeiteinheit abrieselnde Masseteilchenmenge M (Teilchendurchsatz) in solche Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit V (Gasdurchsatz) gebracht ist, daß die Kurve M = / (V) mit steigender Gasgeschwindigkeit (Gasdurchsatz) zunächst ansteigt, dann jedoch abfällt, und daß der Arbeitspunkt des Apparates in den fallenden (stabilen) Kennlinienbereich gelegt ist. In diesem Falle tritt in einem weiten Durchsatzbereich eine Selbstregelung der Masseteilchen- und der Gasströmung über die ganze Fläche der Masseteilchenschicht ein. Steigt nämlich bei einem Betrieb oberhalb des Maximalwertes der Kurve M = f (V) etwa wegen Verringerung der Schichtdicke, d. h. kleinerem Druckverlust, die Gasgeschwindigkeit, so bewirkt dies eine Herabsetzung des Masseteilchendurchsatzes; umgekehrt wird an Stellen, an denen die Gasgeschwindigkeit zu gering ist, der Durchsatz beschleunigt. Diese gegensinnige Wirkung bei zu kleiner bzw. zu großer Gasgeschwindigkeit wirkt zwangläufig im Sinne einer Vergleichmäßigung der Durchsätze und Stabilisierung der Schichthöhe über die gesamte Schichtfläche.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann noch dadurch verfeinert und verbessert werden, daß das Verhältnis der Wasserwerte der wandernden Masseteilchenschicht und des mit ihr im Wärmetausch stehenden hindurchströmenden Gases durch Umleitung von Gasmengen und/oder Masseteilchen um die einzelnen Haufwerke oder Wirbelzonen beeinflußt wird. Dies beruht darauf, daß der Masseteilchendurchsatz in erster Linie durch die Auftriebskräfte, d. h. die Geschwindigkeit des aufwärts strömenden Gases, jedoch auch durch das Flächenverhältnis vom Wirbelzonen- zum Gesamtquerschnitt der Masseteilchenschicht bestimmt wird. Wie erwähnt, stellt sich bei einem bestimmten Gasdurchsatz ein bestimmter Masseteilchendurchsatz ein, was innerhalb des stabilen Kennlinienbereiches zu einem Gleichgewichtszustand mit einem bestimmten Wasserwertverhältnis zwischen Masseteilchenstrom und Gas führt. Hierbei kann es zur Erzielung optimaler Verhältnisse erwünscht sein, daß die Wasserwerte z. B. in Anpassung an die Änderung der spezifischen Wärme der Masseteilchen bzw. des diese durchströmenden Gases verändert oder gleichgehalten werden. Diese Zusatz- oder Feinregelung hat zur Folge, daß die Zuordnung eines bestimmten Masseteilcheridurchsatzes zu einem bestimmten Gasdurchsatz und damit die Kennlinie verändert wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des erfindungs-

gemäßen Verfahrens mit einem Wärmetauschapparat, durch dessen Bodenteile am Grunde der Masseteilchenschicht ein feststehendes, Gas- sowie Masseteilchendurchgangsöffnungen aufweisendes Kanalbett gebildet ist, mit welcher sich eine Grund-, Selbst- und Feinregelung in der erläuterten Weise durchführen läßt. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanalbett einzelne Wirbelzonen aufnehmende Wirbelkanäle angeordnet sind, welche auf ihrer oberen Seite mit den Durchtritt der Masseteilchen verhindernden gasdurchlässigen Abdeckungen versehen sind, daß das Kanalbett unterhalb der Wirbelkanäle dem Gaseinlaß und Masseteilchenauslaß dienende Öffnungen aufweist, in den unteren Teil der Wirbelkanäle seitliche, die einzelnen Haufwerke (Schüttkeile) aufnehmende Zuleitkanäle einmünden, die an ihrem anderen Ende mit der Masseteilchenschicht in Verbindung stehen, und daß die Öffnungen im Verhältnis zum Korndurchmesser der Masseteilchen im Sinne einer gasdurchsatzabhängigen Abführung der Masseteilchen während des Betriebes und einer Unterbrechung der Masseteilchenabführung bei Unterbrechung der Gasströmung bemessen sind. Die öffnungen können bei Kreisform mehr als zweifachen Durchmesser bzw. bei quadratischer oder rechteckiger Ausbildung einen Seitenabstand von etwa zwei Durchmessern eines Masseteilchens aufweisen. Die erläuterte Zusatz- oder Feinregelung läßt sich auf verschiedene Weise durchführen. Eine Möglichkeit besteht darin, daß im Bereich der Wirbelkanäle neben den öffnungen in den Bodenteilen dem zusätzlichen Gaseinlaß dienende kleinere Zusatzöffnungen vorhanden sind. Diese Zusatzöffnungen können vorteilhaft durch verstellbare Schließteile abschließbar sein, so daß also durch Verstellung dieser Schließteile einem Strömungsanteil des Gases der Durchtritt zu den Wirbelzonen mehr oder weniger verwehrt werden kann, d. h., daß dieser Strömungsanteil nicht wesentlich zum Aufwirbeln der Masseteilchen beiträgt. Eine andere Möglichkeit der Fein- oder Zusatzregelung besteht darin, daß der Masseteilchenschicht ein regelbarer Bypaß für das Gas zugeordnet ist, durch welchen bei gegebenem Gasmengenstrom eine überschüssige Gasmenge ableitbar ist. Vorteilhaft ist hierbei der regelbare Bypaß für die Überschuß-Gasmenge als Wärmetauscher ausgebildet. Der Teilgasstrom wird hierbei also nicht nur um die Wirbelzonen, sondern um die gesamte Masseteilchenschicht herumgeführt.

Je nach dem zu verarbeitenden Temperaturgefälle und der Menge der im Wärmetausch miteinander stehenden Medien empfiehlt die Erfindung weiterhin, daß bei einer Einrichtung mit mehreren in Reihenoder Reihenparallelschaltung räumlich übereinander angeordneten Masseteilchenschichten zwischen den einzelnen Masseteilchenschichten Teilmengen von Masseteilchen über Nebenkanäle ableitbar oder Zusatzmengen von Masseteilchen zuführbar sind, durch welche unter Umgehung der nachgeschalteten oder vorgeschalteten Masseteilchenschicht die Wasserwerte des Gases und der Masseteilchenschichten veränderbar und aneinander angleichbar sind.

Im folgenden werden das Verfahren nach der Erfindung und die dazugehörige Einrichtung an Hand der lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert, in welcher zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, in welchem die Abhängigkeit der je Zeiteinheit abfließenden Masseteilchenmenge M (Masseteilchendurchsatz) in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit V (Gasdurchsatz), d. h. die Funktion M = / (F), dargestellt ist,

F i g. 2 und 3 in Quer- und Längsschnitt durch eine Wärmetauschkammer die einzelnen Haufwerke und Wirbelzonen am Grunde der Masseteilchenschicht,

F i g. 2 a in einem Ausschnitt näher die Anordnung von Zusatzöffnungen für das Gas,

ίο F i g. 4 schematisch einen Querschnitt durch eine vollständige Wärmetauschkammer mit entsprechenden Führungskanälen für die Masseteilchen und das wärmetauschende Gas,

F i g. 5 schließlich eine etwas abgewandelte Ausführungsform einer Wärmetauschkammer gemäß F i g. 4 mit Nebenkanälen zur Umführung von Masseteilchen zwecks Beeinflussung des Verhältnisses der Wasserwerte zwischen Gas und Masseteilchen.

Der Wärmetauscher nach den F i g. 2 und 3 kann

ao z. B. für einen Speicherteilchenwärmetauscher zur Wärmeübertragung von einem gasförmigen Medium auf ein anderes gasförmiges Medium Anwendung finden und verwirklicht beispielsweise das Verfahren nach der Erfindung.

as In Fig. 2 und 3 bedeutet 1 eine Masseteilchenschicht, in der die sich unter dem Einfluß der Schwerkraft von oben nach unten in dichter Schüttung bewegenden Masseteilchen 2 von einem Gas (Pfeile 3) entgegengesetzt zu deren Bewegungsrichtung, d. h. im Gegenstrom, durchströmt werden. Die Masseteilchenschicht 1 weist in der Strömungsrichtung eine verhältnismäßig geringe Höhe auf, während sie quer zur Strömungsrichtung von Masseteilchen bzw. Gas eine verhältnismäßig große Flächenerstreckung hat, wodurch ein großer Gasdurchsatz bei kleinem Druckabfall möglich gemacht wird. Auf der oberen Seite werden die Masseteilchen durch die mit Abstand voneinander angeordneten Zuführkanäle 4 mittels einer im Rahmen der Erfindung nicht weiter interessierenden Beschickungseinrichtung zugeführt. Auf der oberen Seite ist die Masseteilchenschicht 1 durch das ein Sieb bildende Gitter 5 abgeschlossen, dessen einzelne Gitterelemente genügend Abstand für das Einströmen der Masseteilchen und für das Ausströmen des Gases aufweisen. Am Grunde ihrer Schicht werden die dort genauer als einzelne Körner dargestellten Masseteilchen 2 durch gas- und zugleich masseteilchendurchlässige Bodenteile in Form eines Kanalbettes 6 abgestützt, welches so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Masseteilchen 2 am Grunde ihrer Schicht in Form einzelner Haufwerke (Schüttkeile 10) gruppiert werden, innerhalb welcher die Masseteilchen bei Unterbrechung der Gasströmung durch Brückenbildung infolge gegenseitiger Reibung gegen das Abrieseln festgehalten werden. Dieser Zustand ist im linken Teil der F i g. 2 dargestellt, wo unterhalb des betreffenden Schüttkeils der Buchstabe α eingetragen ist. Tritt nun eine Gasströmung auf, so werden, angefangen bei einem Minimalwert der Gasgeschwindigkeit, mit zunehmendem Gasdurchsatz mehr und mehr Masseteilchen aus den Schüttkeilen 10 befreit und innerhalb einzelner, den Schüttkeilen 10 benachbarter Wirbelzonen 7 einer Aufwirbelung bei gleichzeitiger Abführung unterworfen. Dieser Zustand ist im mittleren Teil der F i g. 2 über b gezeigt, während der rechte Teil über c einen Zustand darstellt, in welchem auf Grund eines

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noch größeren Gasdurchsatzes das Maximum der Teilchenabrieselung überschritten ist, d. h. bereits ein merkbarer Bremseffekt zu verzeichnen ist. Es versteht sich, daß die Zustände a, b, c nur der Erläuterung halber nebeneinander dargestellt sind, da sich im dargestellten Ausführungsbeispiel bei gegebener Gasströmung für die gleichartig ausgebildeten Paare 10, 7 auch gleiche Abrieselzustände ergeben würden.

Das Schaubild der Fig. 1 veranschaulicht diesen to zur Regelung und Selbstregelung ausnutzbaren Mechanismus näher. In diesem Schaubild ist die bei Versuchen ermittelte Abhängigkeit der ausfließenden Masseteilchenmenge M je Zeiteinheit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit V eines durch eine Masseteilchenschicht 1 geringer Höhe strömenden Gases mit am Kammerboden vorgesehenen einzelnen Haufwerken und Wirbelzonen 10, 7 wiedergegeben. Wie die Kurve erkennen läßt, setzt eine Masseteilchenabführung erst bei einer gewissen Gasgeschwindigkeit oder Grenzgasmenge ein. Im gestrichelt dargestellten Bereich ist das Rieselverhalten ungleichmäßig und labil. Mit zunehmender Strömung des gasförmigen Mediums erreicht die Masseteilchenmenge einen Maximalwert — hieran anschließend folgt ein stabiler Bereich, in dem die je Zeiteinheit abrieselnden Mengen gut reproduzierbar sind —, um schließlich bei sehr großen Gasgeschwindigkeiten bzw. Gasmengen wieder auf Null abzunehmen.

Im einzelnen sind die Wirbelzonen 7 der Einrichtung nach F i g. 2 und 3 als Wirbelkanäle 7 α ausgebildet und auf ihrer oberen Seite durch geschlitzte oder gelochte Abdeckungen 8 derart abgeschlossen, daß zwar ein Gasdurchtritt von unten nach oben, nicht dagegen ein Masseteilchendurchtritt von oben nach unten möglich ist. Unterhalb der Wirbelkanäle 7 α sind in dem Kanalbett 6 kreisförmige, quadratische oder ähnlich gestaltete Öffnungen 9 zur Abströmung der Masseteilchen vorgesehen. In den unteren Teil der Wirbelkanäle 7 α münden oberhalb der Öffnungen 9 Zuleitkanäle 10 α für die Masseteilchen ein, welche die Schüttkeile 10 aufnehmen. Wie der Ausschnitt der F i g. 2 a näher erkennen } läßt, können im Bereich der Öffnungen 9 noch Zusatzöffnungen 11 in Form von Schlitzen oder Löchern kleinerer Abmessungen vorhanden sein, die allein für Gas durchlässig sind. Die Öffnungen 9 weisen im Verhältnis zu den Abmessungen der Masseteilchen eine bestimmte Bemessung auf. Beispielsweise beträgt bei kreisförmiger Gestaltung der Öffnung 9 der Durchmesser derselben etwas mehr als zwei Korndurchmesser. Bei quadratischer Gestaltung der Öffnungen 9 liegt der Seitenabstand in der Größenordnung von etwa zwei Korndurchmessern. Selbstverständlich sind gewisse Abweichungen von diesen Werten, insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche Rauhigkeitsverhältnisse möglich.

Die dargestellte Einrichtung mit Zuleitkanälen 10 a, Wirbelkanälen 7 α und Öffnungen 9 verwirklicht das Verfahren nun in der Weise, daß dann, wenn Druckdifferenzen unterhalb und oberhalb der Masseteilchenschicht 1 nicht vorhanden sind, also eine Gasströmung nicht erfolgt, die Masseteilchen 2 innerhalb des Kanalbettes 6 allein der Einwirkung der Reibungskräfte unterliegen, so daß Brückenbildung auftritt. Die Teilchen 2 stützen sich aneinander ab, so daß, wie bereits allgemein erläutert, ein Masseteilchendurchsatz nicht erfolgt (Zustand a). Wird dagegen der Druck unterhalb der Wirbelkanäle 7 α erhöht, so tritt eine Gasströmung 3 auf, welche innerhalb der Wirbelkanäle 7 α einzelne Masseteilchen 2 hochträgt, den Schüttkeilverband 10 innerhalb der Zuleitkanäle 10 α auflockert und ermöglicht, daß die zunächst hochgeblasenen Masseteilchen in gewisser Menge durch die Öffnungen 9 nach unten fallen können (Zustände b, c). Wie ersichtlich, bietet die erfindungsgemäße Einrichtung die Möglichkeit, mit sehr einfachen Mitteln den Masseteilchendurchsatz zu steuern oder zu regeln. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß bewegliche Teile od. dgl., die einem stärkeren Verschleiß unterworfen sind, vermieden sind und das Kanalbett 6 aus verschleißfesten Gußkörpern, Sinterkörpern, keramischen Formkörpern od. dgl. zusammengesetzt werden kann.

F i g. 4 zeigt näher eine vollständige Wärmetauschkammer. In der Figur ist 21 die Masseteilchenschicht, 22 die obere Gitterwand; an der unteren Seite der Masseteilchenschicht liegt das Kanalbett 6, das im einzelnen entsprechend den F i g. 2 und 3 ausgebildet ist. 24 sind die Wandungen eines Gehäuses, das keilförmige Zuströmkanäle 25 bzw. Abströmkanäle 26 für die Masseteilchen bzw. das Wärmetauschgas einschließt. 27 bedeutet die Gaszuführung, 28 die Gasableitung. Im einzelnen ist die Gasströmung durch ausgezogene Pfeile 29 angedeutet. 30 und 31 sind Masseteilchenzu- und -ableitkanäle. Um die Beschickung der großflächigen Wärmetauschzone raumsparend auszuführen, ist die Masseteilchenschicht 21 um einen Winkel geneigt, der kleiner als der Schüttoder Böschungswinkel der Masseteilchen im Ruhezustand ist, da durch die aufwärts gerichtete Gasströmung eine Verkleinerung des effektiven Schüttwinkels verursacht wird.

Diese Art der Masseteilchenzuführung ist jedoch nicht wesentlich für die Erfindung. Vielmehr kann die Masseteilchenschicht auch eben angeordnet werden. In diesem Fall müssen verteilt angeordnete Zuführkanäle vorgesehen werden. Wird eine ausreichende Durchsatzregelung mit Hilfe der Wirbelkanäle 7 α herbeigeführt, so wird durch die gewissermaßen vibrierende Masseteilchenschicht ein schneller Niveauausgleich der Masseteilchen auch in ihrem oberen Teil herbeigeführt.

Werden in größerer Anzahl Masseteilchenschichten für den Wärmetausch in Reihen- oder Reihenparallelschaltung übereinander angeordnet, so können unter Umständen durch Änderungen der spezifischen Wärmen der Gase oder der Masseteilchen beim Arbeiten in größeren Temperaturbereichen in den einzelnen Schichten Wasserwertänderungen des Gases oder der Masseteilchen herbeigeführt werden. Unter Wasserwert ist das Produkt aus Masseteilchenoder Gasmenge mit der spezifischen Wärme zu verstehen. In diesem Fall kann gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung dies dadurch ausgeglichen werden, daß eine Teilmenge der Masseteilchen jeweils zwischen den Schichten durch einen Nebenkanal 30 abgeführt wird. Eine entsprechende Anordnung gibt schematisch F i g. 5 der Zeichnung wieder. Die in dieser Figur dargestellte Wärmetauschkammer kann im übrigen in allen Einzelheiten der Kammer gemäß F i g. 4 entsprechen. Man könnte auch, statt zwischen den Masseteilchenschichten einen Teil der Masseteilchenmenge abzuführen, eine Zusatzmenge einführen, wobei eine Vorrichtung für die Zuführung von zusätzlichen Masseteilchen er-

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forderlich wird. Wie leicht einzusehen ist, läßt sich die Abführung dieser zusätzlichen Masseteilchen zwischen den Schichten in besonders einfacher und vorteilhafter Weise verwirklichen, wenn der Masseteilchenschicht eine über dem effektiven Böschungswinkel liegende Neigung gegeben ist.

In Einzelheiten kann die beschriebene Anordnung abgeändert werden. So kann bei einem Wärmetauscher mit Anpassung an Wasserwertänderungen durch teilweise Abdeckung der Teilchenschicht ein definiertes Abrieseln der Masseteilchen aus jeder Teilchenschicht erzielt werden.

Ebenso ist eine Anpassung der Gasmengenströme mittels der vorher beschriebenen verschiebbaren Schließteile über den Zusatzöffnungen 11 möglich.

Weiter kann auch partiell innerhalb der Wärmetauschschichten durch Begrenzung der Gaszufuhr in abgeteilten Bereichen eine Wasserwertanpassung erzielt werden, was eine entsprechende Unterteilung der Gaszufuhrkanäle und der Gasspeiseleitungen zur ao Voraussetzung hat.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb von mit beweglichen Masseteilchen als Wärmeträger arbeitenden Apparaten, vorzugsweise Wärmetauschern mit im Verhältnis zur Schichthöhe großflächiger Masseteilchenschicht, bei denen ein im Wärmetausch mit den Masseteilchen stehendes Gas im Gegenstrom durch die sich in Richtung der Schwerkraft in Form einer Schüttung durch Reaktions- bzw. Wärmetauschkammern bewegendenMasseteilchen geleitet wird und die Masseteilchen am Kammerboden durch ein aus gas- und zugleich masseteilchendurchlässigen Bodenteilen bestehendes Kanalbett abgestützt werden, welches der Durchsatzregelung der Masseteilchen dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseteilchen am Kammerboden in Form mehrerer einzelner Haufwerke (Schüttkeile 10) gruppiert werden, innerhalb welcher die Masseteilchen bei Unterbrechung der Gasströmung gegeneinander verklemmt und so gegen das Abrieseln festgehalten werden, und daß die Masseteilchen durch die Gasströmung aus dem Verband dieser einzelnen Haufwerke befreit und innerhalb mehrerer einzelner, den Haufwerken benachbarter Wirbelzonen einer Aufwirbelung bei gleichzeitigem Abrieseln unterworfen werden, wobei die Menge der abrieselnden Masseteilchen in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz gebracht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beginnend bei einem minimalen zum Abrieseln der Masseteilchen erforderlichen Grenzwert der Gasgeschwindigkeit die je Zeiteinheit abrieselnde Masseteilchenmenge M (Teilchendurchsatz) in solche Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit V (Gasdurchsatz) gebracht ist, daß die Kurve M = / (F) mit steigender Gasgeschwindigkeit (Gasdurchsatz) zunächst ansteigt, dann jedoch abfällt, und daß der Arbeitspunkt des Apparates in den fallenden (stabilen) Kennlinienbereich gelegt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wasserwerte der wandernden Masseteilchenschicht und des mit ihr im Wärmetausch stehenden hindurchströmenden Gases durch Umleitung von Gasmengen und/oder Masseteilchen um die einzelnen Haufwerke oder Wirbelzonen beeinflußt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Wärmetauschapparat, durch dessen Bodenteile am Gründe der Masseteilchenschicht ein feststehendes, Gas- sowie Masseteilchendurchgangsöffnungen aufweisendes Kanalbett gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanalbett (6) einzelne Wirbelzonen (7) aufnehmende. Wirbelkanäle (7 a) angeordnet sind, welche auf ihrer oberen Seite mit den Durchtritt der Masseteilchen verhindernden gasdurchlässigen Abdeckungen (8) versehen sind, daß das Kanalbett (6) unterhalb der Wirbelkanäle (7 α) dem Gaseinlaß und Masseteilchenauslaß dienende Öffnungen (9) aufweist, in den unteren Teil der Wirbelkanäle (7 a) seitliche, die einzelnen Haufwerke (Schüttkeile 10) aufnehmende Zuleitkanäle (10 a) einmünden, die an ihrem anderen Ende mit der Masseteilchenschicht (1) in Verbindung stehen, und daß die Öffnungen (9) im Verhältnis zum Korndurchmesser der Masseteilchen im Sinne einer gasdurchsatzabhängigen Abführung der Masseteilchen während des Betriebes und einer Unterbrechung der Masseteilchenabführung bei Unterbrechung der Gasströmung bemessen sind (Fig. 2, 3).

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (9) bei Kreisform einen mehr als zweifachen Durchmesser, bei quadratischer oder rechteckiger Ausbildung einen Seitenabstand von etwa zwei Durchmessern eines Masseteilchens aufweisen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Wirbelkanäle (7 α) neben den Öffnungen (9) in den Bodenteilen dem zusätzlichen Gaseinlaß dienende kleinere Zusatzöffnungen (11) vorhanden sind (F i g. 2 a).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzöffnungen (11) durch verstellbare Schließteile abschließbar sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseteilchenschicht ein regelbarer Bypaß für das Gas zugeordnet ist, durch welchen bei gegebenem Gasmengenstrom eine überschüssige Gasmenge ableitbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare Bypaß für die Überschuß-Gasmenge als Wärmetauscher ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 4 mit mehreren in Reihen- oder Reihenparallelschaltung räumlich übereinander angeordneten Masseteilchenschichten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Masseteilchenschichten (1) Teilmengen von Masseteilchen über Nebenkanäle (30) ableitbar oder Zusatzmengen von Masseteilchen zuführbar sind, durch welche unter Umgehung der nachgeschalteten oder vorgeschalteten Masseteilchenschicht die Wasserwerte des Gases und der Masseteilchenschichten veränderbar und aneinander angleichbar sind (F i g. 5).

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch steuerbare Ab-

schirmteile zur teilweisen Abdeckung der Masseteilchenschicht, durch welche unter Begrenzung des Masseteilchenflusses die Wasserwerte des. Gases und der Masseteilchenschicht veränderbar und aneinander angleichbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen