DE2419778A1

DE2419778A1 - Regenerativwaermetauscher fuer gase

Info

Publication number: DE2419778A1
Application number: DE2419778A
Authority: DE
Inventors: Gundolf Dipl Ing Dr Rajakovics
Original assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Current assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1974-04-24
Publication date: 1975-09-04
Also published as: ATA152774A; AT327363B; DE2419778C3; DE2419778B2

Description

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Gebr.Böhler & Co., Aktiengesellschaft, Wien Regenerativwärmetauscher für Gase

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In wärmetechnischen Prozessen werden zur Vorwärmung von Luft, inabesondere für Verbrennungsprozesse, vielfach Wärmetauscher benötigt, die durch heiße .Rauchgase beheizt werden. Neben üblichen Wärmetauschertypen, wie Rohrbündel und Plattenwärmetauscher werden insbesondere zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in fossilbefeuerten Wärmekraftwerken Regenerativwärmetauscher eingesetzt, bei denen ein langsam rotierendes Paket von Stahlblechen abwechselnd in einer Zone von heißen Rauchgasen aufgewärmt und anschließend in einer zweiten Zone von der vorzuwärmenden Luft abgekühlt wird ("Ljungström-Luftvorwärmer")· Sind große Luftmengen vorzuwärmen, ergeben diese Konstruktionen allerdings oft zu große Abmessungen des Wärmetauschers oder es ist eine unwirtschaftlich große Quertemperatur an den Wärmetauscherflächen notwendig. Im übrigen sind die genannten Wärmetauschertypen wirtschaftlich nicht einsetzbar, wenn die Luft auf sehr hohe Temperaturen vorgewärmt werden soll, da bei Temperaturen über etwa 500⁰C die üblichen Stähle zu stark verzundern.

Zur Vorwärmung von Luft auf sehr hohe Temperaturen werden beispielsweise in. der Hüttentechnik keramische Regenerativwärmetauscher benutzt. Allerdings arbeiten diese diskontinuierlich, d.h. von zumindest zwei Wärmespeichereinheiten wird jeweils eine aufgeheizt, während die andere,,zur Vorwärmung der Luft dient. Nach einiger Zeit muß umgeschaltet" werden, so daß der frisch aufgeheizte Wärmespeicher nun. von der aufzuheizenden Luft durchströmt und die inzwischen abgekühlte Einheit wieder aufgeheizt werden kann.

Für viele Zwecke, z.B. in fossil beheizten Wärmekraftwerken, ist eine solche diskontinuierliche Arbeitsweise der Luftvorwärmung allerdings wenig geeignet. Trotzdem wäre bei bestimmten Typen von fossil beheizten Wärmekraftwerken, z.B. bei Kraftwerken mit Alkalimetallenergiewandlungsprozessen, eine Luftvorwärmung auf hohe Temperaturen von wesentlichem Vorteil,

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die jedoch mit den genannten, bisher bekannten Luftvorwärmertypen nicht erreicht werden kann.

Durch die Erfindung werden beide Probleme gelöst. Sie sieht einen Regenerativwärmetauscher vor. Zur Erzielung kleiner Temperaturdifferenzen beim Wärmeübergang ist ein großes Verhältnis von warmetauscherfläche zur Speichermasse notwendig. Um dieses zu erreichen, werden Schüttkörper, die ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen, also relativ klein sind, verwendet. Um hohen Temperaturen zu widerstehen, werden vorzugsweise Schüttkörper aus keramischen Stoffen verwendet. Für nicht zu hohe Temperaturen kommen auch Schüttkörper aus Stahl in Betracht.

Die Erfindung betrifft demnach einen Renerativwärmetauscher für Gase, insbesondere hoher Temperaturen, wie z.B. 600⁰C und darüber, mit vorzugsweise keramischen Wärmeträgern (Wärmespeichern) und ist dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger Schüttkörper, vorzugsweise Kugeln, vorgesehen sind. Die Schüttkörper befinden sich in keramischen oder stählernen Formkörpern, die der Gasführung dienen. An Stelle der Formkörper kann'eine Konstruktion aus Stahl, z.B. hochwarmfester austenitischer Stahl treten.

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Es ist zu beachten, daß mit kleiner werdenden Abmessungen der Schüttkörper, also z.B. mit sinkendem Durchmesser der -■ Schüttkugeln, der spezifische Druckverlust für das die Schüttung durchströmende Gas, also etwa Luft, Rauchgas oder Gemische von solchen, sehr stark ansteigt.

Für die Wärmeträger werden daher in Ausgestaltung der Erfindung insbesondere Kugeln oder annähernd kugelförmige Körper mit einem Durchmesser zwischen ein und zehn Millimeter, vorzugsweise zwischen drei und fünf Millimeter, verwendet, wobei alle Kugeln einer Sohüttung annähernd gleichen

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Durchmesser aufweisen können. L

Im Hinblick auf den trotzdem relativ hohen spezifischen Druckverlust solcher Kugelschüttungen dürfen die Gasgeschwindigkeit en in der Schüttung sowie die vom Gas zu durchströmende Schüttungslänge nicht zu groß sein.

Die "formkörper können mehrere stehende, konzentrische Hohlzylinder bilden, die Abstand voneinander aufweisen und von den Gasen radial durchströmt werden. Dadurch ergeben sich große Strömungsquerschnitte und kurze Strömungswege in der Schüttung, ohne daß der Durchmesser des Wärmetauschers zu groß wird. Die Formkörper sind weiters segmentweise durch Zwischenwände so verbunden, daß sich vertikale Zu- und Abströmkanäle ergeben. Durch Drehung der ganzen Anordnung können die Kanäle bzw. die Kugelschüttungen, wie bei Ljungström-Luvos, abwechselnd vom heißen Rauchgas und entgegengesetzt von der aufzuwärmenden Luft (bzw. einem Luft/Rauchgasgemisch) durchströmt werden.

Die Formkörper müssen so ausgebildet werden, daß die Gase beim Durchströmen der Kugelschüttung über den ganzen Querschnitt annähernd gleichen Strömungswiderstand vorfinden. Insbesondere muß verhindert werden, daß sich ein, wenn auch nur kleiner Spalt zwischen Kugelschüttung und der diese begrenzende Wandung ergibt. Diese Aufgabe kann erfindungsgemäß dadurch^ gelöst werden, daß die Kugelschüttung alle Wandungen der Formkörper auf Grund des Schüttdruckes berühren muß, was z.B..durch eine J-förmige oder U-förmige Ausbildung des Strömungskanals, also durch ein teilweises Abwärtsströmen der Gase im ersten und ein nachfolgendes Aufwärtsströmen im zweiten Teil der Kugelschüttung erreicht werden kann. Im Bereich des Überganges vom ersten zum zweiten Teil der Kugelschüttung kann eine annähernd gleichmäßige Strömung über den äe» gesamten Querschnitt trotz der im allgemeinen unterschiedlichen Strömungslänge z.B. dadurch erreicht werden, daß der Strömungsquerschnitt mit relativ großen Kugeln, vorzugsweise mit Kugeln, die etwa den Λ,5- fachen bis dreifachen Durchmesser der Schüttungskugeln haben,

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gefüllt ist. Es ist auch möglich, Kugeln verschiedenen Durchmessers in mehreren Schichten als Füllkörper zu verwenden. Die als Füllkörper dienenden großen Kugeln wirken dabei einerseits als Unterstützung der Schüttungskugeln, anderseits weist der mit solchen größeren Kugeln gefüllte Strömungslcanal einen wesentlich geringeren spezifischen Druckverluat auf, so daß sich in Verbindung mit dem hohen spezifischen Druckverlust in der aus kleinen Kugeln bestehenden Schüttung eine über den gesamten Stromungsquerschnxtt weitgehend gleichmäßige Stromungsverteilung einstellt. ·

Es ist aber auch möglich, die Wärmetauscherkugeln in den Formkörpern durch Lochplatten in ihrer Lage zu halten· Solche Platten haben erfindungsgemäß an der der Kugelschüttung zugewendeten Seite ein System von Strömungskanälen, deren Breite kleiner als der Kugeldurchmesser ist und die durch Löcher mit der gegenüberliegenden Seite der Platte verbunden sind· Platten dieser Art können nicht nur zur Unterstützung der Kugelschüttung verwendet werden, sie können auch zur Niederhaltung der Kugeln nützlich sein, wenn sonst der in der Kugelschüttung auftretende Druckverlust zu einem Abheben der Schüttungskugeln aus ihrem Bett führen würde. Es ist ferner möglich, insbesondere, um größere Strömüngskanäle in,den Formkörpern zulassen zu können, sowie zur Vergleichmaßigung der Stromungsverteilung zwischen Wärmetauscherkugelschüt'tung und Lochplatten eine Schüttung von Kugeln größeren Durchmessers anzuordnen, wodm?eh sich eine Kombination der beiden genannten Maßnahmen ergibt·

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in mehreren Ausführungsformen schematisch dargestellt. Es zeigen · Fig. 1 Schüttungen in Formsteinen mit V-förmigem Querschnitt, Fig. 2 analoge Schüttungen, die geschichtet sind, Fig.· 3 Schichtungen in Formkörpern U-fÖrmigen Querschnitts, die Fig. 4 Schüttungen zwischen Lochplatten, Fig. 5 eine Einzel-

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heit der Lochplatten in Draufsicht, Fig. 6 Schüttungen zwischen ebenen Formsteinen und Lochplatten und die Fig. 7 und 8 einen Wärmetauscher im Längs- und Querschnitt.

GemäE Fig. 1 sind mehrere Formsteine 1 V-förmigen Querschnitts übereinander angeordnet. Sie sind in ihrem unteren Teil mit einer Schüttung 2 von Kugeln mit 8 mm Durchmesser versehen. Zur Verringerung der Zahl der notwendigen Kugeln ist eine Einlage 3 vorgesehen.-Der Abstand dieser Einlage unter der TJnterkante 4- des darüber befindlichen Formsteines 1 ist vorzugsweise gleich dem Abstand zwischen zwei Formsteinen 1, gemessen senkrecht zu ihren Schenkeln. Auf der Schüttung 2 befinden sich beiderseits weitere Schüttungen 5» die aus Kugeln von 4- mm Durchmesser bestehen.

Die ihre Wärme abgebenden Gase bzw. die vorzuwärmenden Gase durchströmen zunächst die eine Schüttung 5, sodann die Schüttung 2, in der sie trotz ungleich langer Weglängen eine gleichmäßige Strömung aufweisen und durchströmen sodann die zweite Schüttung 5·

Um eine weitere Vergleichmäßigung der Gasströmung in den einzelnen Schüttungen zu erzielen, können diese geschichtet sein, wobei Kugeln unterschiedlichen Durchmessers zur Verwendung gelangen. Gemäß Fig. 2 besteht die unterste-Schüttung 2 aus Kugeln größeren Durchmessers, während die Schüttungen 6 abwechselnd aus Schichten 7 mi*- Kugeln kler·- neren Durchmessers und Schichten 8 mit Schüttkörpern größeren Durchmessers bestehen. Hiebei ist es zweckmäßig, die oberste Schicht aus groben Schüttkörpern zu bilden, um ein Abheben der kleineren Schüttkörper durch, die abströmenden Gase zu verhindern.

Die Formkörper können jedoch auch einen im wesentlichen

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U-förmigen Querschnitt aufweisen, wie dies die Pig· 3 zeigt. Hiebei sind die in Fig. 3 dargestellten formkörper 9 an ihrem Boden mit einer Rippe 10 versehen, mit der sie in <3ie Schüttung des darunter befindlichen FormLörpers eintauchen. Auch hier sind drei Schüttungen vorgesehen, nämlich eine Schicht 11 aus groben Schüttkörpern und zwei Schichten 12 aus kleineren Schüttkörpern·

In Fig. 4- ist eine weitere Art der Anordnung der Schüttungen gezeigt. Der Formkörper 13 U-förmigen Querschnitts weist eine Bodenrippe 1A- auf, die die Schüttung 15 des darunter befindlichen Formkörpers durchsetzt. Diese Schüttung stützt sich auf eine keramische Platte 16 ab, die mit Bohrungen 17 versehen ist. In Fig. 5 ist ein Teil der der Schüttung 15 zugewendeten Fläche im größeren Maßstab dargestellt. Diese Fläche weist ein Netz von Rillen 18 auf, des mit den Bohrungen 17 kommuniziert. Es ist zweckmäßig, die Breite der Rillen 18 kleiner als den Durchmesser der Schüttkörper zu machen, um eine Verstopfung der Bohrungen 17 zu vermeiden. Um sin Abheben der Schüttkörper zu verhindern, sind die Schüttungen 1]? mit analogen keramischen Platten 19 abgedeckt. Tritt kein Wechsel in der Richtung der Gasströmung ein, so genügt es, eine der Schüttung 15 abzudecken. Da diese Abdeckung keine tragende Funktion ausübt, kann sie"vreniger ^ stark als die Platte 16 ausgeführt werden. Da der Raum unterhalb der Platte 16 frei ist, kann der Abätand"¹ der *" ** Platte 16 zum Boden des Formsteines 13 klein gehalten werden.

In Fig. 6 wird eine weitere Ausführungsvariante»veran-« schaulicht. Formplatten 20, 21 werden waagrecht angeordnet und mittels Lochplatten 22 der beschriebenen. Art in

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Abstand voneinander gehalten. Der Raum zwischen diesen Platten ist mit einer Schüttung 23 ausgefüllt. Um zu verhindern, daß ein Teil der Gase zwischen de3?Schüttung und der jeweils darüber befindlichen Platte frei von einer Lochplatte zur anderen Lochplatte strömen kann, ist es zweckmäßig, die Unterseite der Platten 20 entweder gestuft oder, wie in Fig. 6 bei der Platte 21 gezeigt, gerillt auszuführen. In beiden Fällen müssen die vorspringenden Teile/der Plattenunterseite in die Schüttung eintauchen und so das widerstandslose Strömen eines Teiles der Gase verhindern.

Es ist zweckmäßig, die Formsteine in Form von Hohlzylindern zu verlegen und die Gase im wesentlichen radial diese Zylinder durchströmen zu lassen. Es ergibt sich hiebei eine kompakte Bauart des Wärmetauschers. Werden die Formsteine auf einer rotierbaren Plattform verlegt, so kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher nach dem Ljungström-Prinzip arbeiten. Ein solcher Wärmetauscher ist in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellt. Die in Fig. 1 gezeigten Formkörper bilden Hohlzylinder 24, 25» 26, 27, zwischen denen axial verlaufende Kanäle 28, 29» 30, 31 und 32 vorgesehen sind. Diese sind abwechselnd nach oben und unten offen. Die radial verlaufenden Kanalwände sind mit 32a bezeichnet. Die Formsteine ruhen in einem oben offenen keramisch ausgekleideten Gehäuse 33» das bei 34 gelagert ist und mittels eines Antriebes 35 in Drehung versetzt werden kann. Der gesamte Luftvorwärmer ist in einem metallischen Gehäuse untergebracht. Oberhalb des rotierenden keramischen Gehäuses ist eine Dichtfläche 37 vorgesehen, so daß sich zwei getrennte Gasströme ergeben. Die insgesamt 'mit 38 bezeichnete Haube isb mit einer inneren Haube 39 und einer Querwand 40 versehen, wodurch sich folgende Gasströmung ergibt. Das heiße Abgas tritt durch den Stutzen 41 in den Raum 42 ein, durchströmt die Kanäle 29» 31» so-

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dann die abgekühlten Schüttungen in den Fomnkörpern und tritt über die Kanäle 28, 30 und 31 in den Raum 43 aus und wird von dort über den Rohrstutzen 44 abgeleitet·

Das zu erwärmende Gas tritt durch den Rohrstutzen 45 in den Raum 46 ein, durchströmt die Kanäle 32, 30 und 28, durchsetzt die aufgeheizten Schüttungen und tritt über die Kanäle 29, 31 in. den Raum 47 ein, von wo die aufgeheizten Gase durch den Rohrstutzen 48 den Wärmetauscher verlassen.

Das vorstehend im Zusammenhang mit Formkörpern, insbesondere keramischen Fomsteinen Gesagte gilt auch für Aufbauten aus Stahl od.dgl., bei denen die Formkörper die Gestalt von Leitblechen u.dgl. aufweisen.

Als Schüttkörper kommen nicht nur Kugeln in Betracht, sondern auch zylindrische Körper, bei denen die Zylinderhöhe etwa dem Zylinderdurchmesser entspricht. Die Schüttkörper brauchen nicht aus keramischem Material zu bestehen. Es können auch Mineralien, z.B. Flußschotter, benutzt werden. Auch die Formkörper^ können im Querschnitt variiert werden.· So braucht z.B. die Rippe 10, 14 nicht einstückig mit dem Formkörper 9» 13 sein. Für kleinereWärmetauscher kommt auch eine im wesentlichen vertikale Durchströmung nebeneinander angeordneter Schuttungen in Betracht. - - ·

Die Schüttungen können auch in Trögen" oder Kammern-untergebracht sein, deren Wände zum Teil oder zur Gänze aus Stahl od.dgl. bestehen. Es kommt auch eine Anordnung in Betracht, bei der die Formsteine, welche die Schüttungen enthalten, von einem Stahlgerüst getragen werden.

Bei großen Wärmetauschern ist es zweckmäßig, an Stelle der Rotation der Formsteine und Schüttungen einen rotierenden

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Drehschieber zwischen dem eigentlichen Wärmetauscher und der die Zu- und Ableitungen aufweisenden Haube vorzusehen.

.Die Formkörper können, insbesondere bei kleineren Wärmetauschern, zu lotrechten plattenartigen Wänden zusammengefaßt werden. In vielen Fällen kann der Wärmetauscher auch diskontinuierlich betrieben werden, was für manchen Verwendungsfall genügt.

Es ist zweckmäßig, den Durchmesser der Löcher 17 größer als die Breite der Nuten 18 zu machen und dafür die Zahl der Löcher zu verringern. Diese großen Löcher dürfen jedoch nicht bis zur anderen Plattenseite durchgehen, um den Durchtritt von Schüttkörpern zu verhindern. Bei tiefen Nuten 18 werden vorzugsweise diese von den Löchern 17 angeschnitten.

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Claims

Patentansprüche:

/I.JRegenerativwärmetauscher für Gase, insbesondere hoher

- . - Temperaturen, wie z.B. 600⁰G und darüber, mit vorzugsweise keramischen Wärmeträgern (Wärmespeichern), dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger Schüttkörper, vorzugs weise Kugeln, vorgesehen sind.
2. Wärmetauseher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper den Durchmesser zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 5 nna aufweisen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttkörper in oder zwischen keramischen oder stählernen Formkörpern (1, 9» 13» 20, 21), die der Gasführung dienen, angeordnet sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (1) V-förmigen Querschnitt aufweisen, übereinander angeordnet sind und ihre Unterkante in die im jeweils darunter befindlichen Formkörper enthaltene Schüttung (5) eintaucht.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (9, 13) U-förmigen Querschnitt aufweisen, übereinander angeordnet sind und zwischen dem - *- Boden und dem darunter befindlichen Formkörper eine in die Schüttung dieses Formkörpers eintauchende Ri-ppe (10, 14) vorgesehen ist.
6. V/ärmet aus eher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Schüttung (5» 12, 15) im ab- und aussteigenden Bereich des V- oder U-förmig verlaufenden Gasströmungs weges vorgesehen ist·

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7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den beiden Schüttungen (5, 12) eine weitere
Schüttung (2, 11) größerer Körper vorgesehen ist, deren
Durchmesser etwa das 1,5 bis 3-fache des mittleren Durchmessers der anderen Schüttkörper beträgt.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung (23) in Kammern untergebracht ist, die auf
der Gasein- und -austrittsseite mit Lochplatten (22) versehen ist und Deckplatten (20, 21) aufweist, die mit quer
zur Gasströmung verlaufenden Vorspringen (20', 21') in die Schüttung eintauchen.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper einer Schüttung (5) wenigstens annähernd gleich groß sind.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung aus mehreren Schichten (7» 8) mit unterschiedlich großen Schüttkörpern besteht.
11. Wärmetauseher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß zur Lagensicherung der Schüttung (15) Lochplatten (16, 19» 22) vorgesehen sind, die an den der Schüttung (15» 23) zugewendeten Flächen mit den Löchern (17) kommunizierende Rillen (18) aufweisen. · - ···
12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rillen (18) kleiner als der Durchmesser der Schüttkörper der benachbarten Schüttungsschichte ist.
13· Wärmetauscher nach Anspruch 11 oder 12., dadurch
gekennzeichnet, daß die Löcher (17) größere Breite
als die Rillen (18) aufweisen, von der einen Seite
der Lochplatte ausgehen und vor der anderen Seite
der Lochplatte enden, die Rillen jedoch vorzugsweise anschneiden-

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14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13i

dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (1, 9» 13» 20 bis 22) mehrere koaxiale, Abstand voneinander aufweisende Hohlzylinder (24 bis 27) bilden, die von den Gasen radial beaufschlag; sind.
15· Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlzylinder (24 bis 27) um ihre gemeinsame
Achse drehbar gelagert sind und für ihre Rotation ein
Antrieb (35) vorgesehen ist.
16. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß stirnseitig der Hohlzylinder (24 bis 27) eine die

Zu- und Abführungen (41, 44, 45, 48) der Gase aufweisende Haube (38) vorgesehen und zwischen dieser und den
Zylindern ein Drehschieber angeordnet ist.

17· Verwendung eines Wärmetauschers nach Anspruch 15 oder 16 für die Vorwärmung der Verbrennungsluft bei mittels fossiler Brennstoffe beheizter Kraftwerke mit Alkalimet allenergieumwandlungsp"ö)rzesßen.

\ Gebr. Bohl-er& -C ο

\ Aktiengesellschaft

Patentbüro

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