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Wärmeaustauschsystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeaustauschsystem mit einem geschlossenen Kreislauf, be- stehend aus einem ersten Wärmeaustauscher, einer Vorrichtung zum Durchleiten eines gasförmigen
Mediums durch diesen Wärmeaustauscher, einem zweiten Wärmeaustauscher, einer Vorrichtung zum
Durchleiten eines zweiten gasförmigen Mediums durch diesen zweiten Wärmeaustauscher, einer Vor- richtung zum Durchleiten eines Wärmeaustauschmediums durch und zwischen den ersten und zweiten
Wärmeaustauscher, einem im Strömungsweg dieses Wärmeaustauschmediums zwischen dem ersten und zweiten Wärmeaustauscher angeordneten Expansionsbehälter.
Bei vielen Verbrennungsprozessen enthalten die gasförmigen Produkte einen verhältnismässig hohen
Prozentsatz von Schwefelverbindungen. Es ist deshalb vorteilhaft, diese Verbindung oberhalb ihrer Kon- densationstemperatur zu halten, um die korrosive Kondensation am Wärmeaustauscherteilen zu verhindern. Erfindungsgemäss ist hiezu eine Vorrichtung zum Aufheizen des Wärmeaustauschmediums im
Expansionsbehälter vorgesehen, durch die ein Schutz des Wärmeaustauschers gegen eine Korrosion be- wirkt wird.
Durch das Vorheizen des Wärmeaustauschmediums von einer getrennten Quelle während der An- laufperiode und bei geringer Belastung wird eine Korrosion zufolge zu geringer Luft- und Gastemperaturen vermieden. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung.
In den Zeichnungen zeigt Fig. l den Aufriss einer Dampferzeugungseinrichtung mit den Gas-und Luftwegen, welche die Wärmeaustauschelemente gemäss der Erfindung enthalten ; Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des geschlossenen Wärmeaustauschkreises, der zur Vorheizung von Verbrennungsluft und/oder-gasen in der in Fig. l gezeigten Anlage verwendet wird.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen bei der Anwendung in einem chemischen Rückgewinnungssystem dargestellt, in welchem die Restlauge von der Aufschliessung einer Masse verbrannt wird, um chemische Bestandteile und Wärmewerte aus dem Rückstand zu gewinnen. Es ist natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht auf einen chemischen R11ckgewinnungsprozess beschränkt ist, sondern überall angewendet werden kann, wo Gase mit niedriger Temperatur und einem Gehalt von Schwefelverbindungen in Betracht zu ziehen sind.
In Fig. l ist eine mit feuerfestem Futter ausgekleidete Feuerung 10 in Verbindung mit einer Dampferzeugungseinrichtung 11 gezeigt. So können die durch die Veraschung eines Rückstandes auf Magnesiumbasis erzeugten Heizgase z. B. nützlich zur Dampferzeugung Verwendung finden. Die Feuerung besitzt einen geneigten Boden 12 und ist mit mehreren Brennstoff- und Lufteinlassöffnungen 13 in ihrem oberen Teil versehen. Die Verbrennung des Rückstandes erzeugt heisse Gase, die feste Bestandteile enthalten, die vorwiegend aus Magnesiumoxyd-Teilchen bestehen und mit den Gasen im wesentlichen unbehindert durch die hintereinanderliegenden Zu- und Rückleitungen 14 und 15 gelangen. Die Gase strömen hierauf durch eine Reihe von Wärmeaustauschrohren 16 zur Dampfer-
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zeugung.
Innerhalb der Rohre 16 kann ein Satz von Überhitzungsrohren 17 angeordnet sein, wo- bei die zum Teil gekühlten Gase die Dampferzeugungseinheit 11 durch einen inden Einlassstutzen 20 eines ringförmigen Lufterhitzers 21 mündenden Kanal 18 verlassen.
Der Lufterhitzer 21 ist aus zwei Gruppen 21A und 21B von senkrechten Rohren aufgebaut, welche eine obere und untere Rohrplatte verbinden. Die Rohre jeder Gruppe liegen für den Durchstrom der Heizgase parallel, während diebeidenGruppennebeneinander angeordnet und durch eine Umkehrleitung 22 zur Serienschaltung verbunden sind. Die in den Einlassstutzen 20 einströmenden Heizgase strömen also nach abwärts durch eine Gruppe 21A von Rohren in die Umkehrleitung 22, über Vorwärmflächen 31, wobei die Gase in ihrer Strömungsrichtung umgekehrt werden und nach aufwärts durch die zweite Gruppe 21B von Rohren in einen Abzug 23 strömen. Hierauf gelangen die Gase durch ein kmzes horizontal angeordnetes Rohr 24 in die Einlasskuppe eines Vorwärmers oder ringförmigen Wärmeaustauschers 26, der einen Teil der Erfindung bildet.
Die Gase werden hierauf durch eine Leitung 27 einem Staubabscheider 28 zur Entfernung der festen Bestandteile des Gases zugeführt und in ein eingefügtes Abzugsgebläse 30 zur Weiterleitung zu einem nicht dargestellten chemischen Rückgewinnungssystem für SO-Absorption z. B. geleitet.
Bei der in den Zeichnungen wiedergegebenen Apparatur ist die normale, durch den Brennstoff der Feuerung 10 gelieferte Temperatur der Verbrennungsluft vorteilhafterweise verhältnismässig hoch,
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heizung der Luft auf hohe Temperaturen benutzt werden und nach der teilweisen Abkühlung über die Vorwärmerflächen 31 strömen und dann durch die zweite Gruppe 21B des Lufterhitzers 21. Während erwünscht ist, möglichst viel Wärme aus den Verbrennungsgasen zu gewinnen, ist es auch wichtig, eine Kondensation von korrosiven Säuren an irgendwelchen Teilen der Wärmeaustauschelemente zu verhindern. Praktisch ist es also äusserst wichtig, die Kondensationstemperatur im Staubabscheider 28 sowie im Abzugsgebläse 30 während geringer Belastung oder der Anlaufperiode zu vermeiden.
Er- findungsgemäss wird die Temperatur des Verbrennungsgases unter Schwachlast- und Anlaufbedingungen erhöht, um die Gase oberhalb ihrer Kondensationstemperatur zu halten.
Die Verbrennungsluft wird von einem Abzugsgebläse 33 durch eine Leitung 35 entfernt und durch einen Vor-Lufterhitzer 34 in den oberen Teil 36 der Rohrgruppe 21B des Lufterhitzers 21 gedrückt. Die Luft bewegt sich durch die Rohre der Gruppe 21B des Lufterhitzers in drei aufeinanderfolgenden, die Strömungsrichtung umkehrenden Wegen. Vom unteren Teil der Gruppe 21B strömt die Luft horizontal in den unteren Teil der Rohrgruppe 21A des Lufterhitzers und dann im wesent- lichen nach aufwärts in drei aufeinanderfolgenden, die Strömungsrichtung umkehrenden Wegen, um durch eine Leitung 37 zu den Eintrittsöffnungen 13 der Feuerung 10 zu gelangen.
Wie in Fig. l schematisch angedeutet ist, wird der Luftstrom durch den Lufterhitzer durch eine Reihe von Leitflächen 38 gelenkt, um drei quer verlaufende Strömungswege über jede Gruppe von Rohren 21B und 21A des Lufterhitzers zu bewirken. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, sind der Vor-Lufterhitzer 34 und der Vorwärmer 26 vorgesehen, um eine Vorheizung der Verbrennungsluft vor und während der Anlaufperiode der Dampferzeugungseinheit zu erreichen. Ebenso kann dieses System während eines Betriebes unter geringer Last Verwendung finden, wenn die Verbrennungsgase beim Verlassen der Feuerung 10 über eine Umgehungsleitung 39 um die Lufterhitzergruppen 21A und 21B geleitet werden.
Bei dem Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung ist ein im wesentlichen geschlossener Strömungsweg zwischen dem Lufterhitzer 34 und Vorwärmer 26 für ein vom Heizmedium getrenntes Wärme- übertragungsmedium vorgesehen. Das Wärmeübertragungsmedium kann zweckmässig aus Wasser bestehen. Selbstverständlich können erforderlichenfalls auch andere Wärmeübertragungsmedien Anwendung finden. Der Strömungsweg und die Anordnung der Einrichtung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Wie gezeigt, besteht der Vorwärmer 26 aus mehreren Rohren 40, welche Einlass- und Auslassverteilerköpfe 41 bzw. 42 verbinden, wobei die Heizgase an den Rohren des Vorwärmers vorbeiströmen. Das den Vorwärmer vom Verteilerkopf 42 verlassende erhitzte Medium gelangt durch ein Rohr 43 in einen Expansionsbehälter 44.
Der Lufterhitzer 34 ist in der Konstruktion und Anordnung dem Vorwärmer 26 im wesentlichen gleich und enthält Reihen von Rohren 45, welche Einlass-und Auslassverteilerköpfe 46 bzw. 47 verbinden. Die Luft vom angetriebnen Abzugsgebläse 33 streieht quer über die Rohre 45 in direktem Wärmeübertragungsverhältnis mit dem durch die Rohre strömenden Heizmedium.
Das Wärmeübertragungsmedium strömt vom Expansionsbehälter 44 durch eine Leitung 48 zum
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Einlassverteilerkopf 46 und beim Verlassen des Auslassverteilerkopfes 47 durch ein Rohr 50 an die Saugseite einer Zirkulationspumpe 51. Die Pumpe bringt das Medium durch ein Rohr 52 wieder zum Einlassverteilerkopf 41 des Vorwärmers 26.
Eine Umgehungsleitung 53 verbindet das Rohr 48 mit dem Rohr 50, wobei ein Ventil 54 in der Leitung 53 und ein Ventil 55 in der Leitung 48 vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von von einem Thermoelement 56 ausgesendeten Impulsen betätigt werden. Das Thermoelement ist im Rohr 52 angeordnet. Die Ventile dienen zur Temperaturregulierung des in den Verteilerkopf einströ- menden Wärmeaustauschmediums.
Bevor während der Anlaufperiode heisse Gase zur Verfügung stehen, um das Medium im Vor- wärmer 26 zu heizen, kann Dampf durch eine im Expansionsbehälter 44 eingetauchte Windung 57 geleitet werden. Der Dampf erhitzt das Wärmeübertragungsmedium im Expansionsbehälter und dieses
Medium kann dann in Umlauf gesetzt werden, um sowohl den Lufterhitzer 34 und den Vorwärmer 26 als auch den Vorwärmer 26 allein aufzuheizen, falls dies gewünscht wird.
Der Dampf wird zur Windung 57 durch ein Rohr 58 mit einem Ventil geleitet, wobei das
Kondensat aus der Windung durch eine Kondensatableitung 59 mit einem Ventil abgezogen wird.
Die Menge des abfliessenden Kondensates wird durch eine Drucksteuereinrichtung 60 reguliert, während die durch die Windung geleitete Dampfmenge durch ein automatisches Strömungsventil 61 gesteuert wird, das auf Temperaturimpulse anspricht, die von einem im Rohr 48 angeordneten Element 62 ausgesendet werden. Der Expansionsbehälter 44 wird mit Füllmedium, wie Wasser oder einem andern gewählten Medium, durch ein Rohr 63 mit Ventil gespeist. Das Füllmedium fliesst durch das Rohr 63 in einer von Hand aus oder automatisch in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand im Behälter gesteuerten Menge. Der Expansionsbehälter ist mit einem normalen Entlüftungsstutzen, einem Druckausgleichsstutzen und einem Entleerungsstutzen versehen, wie bei 64 angedeutet ist.
Als ein Beispiel für den Betrieb des Vorwärmers 26 und Vor-Lufterhitzers 34 während des Anheizens der Feuerung 10 wird Dampf bei einem Druck von 10 at zur Windung 57 geleitet. Die zugeführte Dampfmenge wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeübertragungsmediums im Rohr 48, z. B. bei einer oberen Grenze von 120 C, gesteuert. Auf diese Weise wird so lange Dampf zur Windung 57 geleitet, bis die Temperatur des Mediums im Rohr 48 unter 1200C ist. Normalerweise wird der Dampf während einer längeren Zeitspanne durch die Windung 57 geleitet, bevor die Feuerung angezündet wird, so dass das Wärmeübertragungsmedium und die Heizelemente geheizt werden, bevor Luft oder Gas zu strömen beginnt. Der in der Windung 57 kondensierte Dampf kann nützlich im Dampferzeuger oder durch andere Verwertung ausgenutzt werden.
Wenn das Ventil 61 bis nahe an Temperaturen über 120 C gesteuert wird, werden die Ventile 54 und 55 üblicherweise durch die Einstellung des Thermoelementes 56 bei z. B. 1000C betätigt. So fliesst das Medium unter der Steuertemperatur durch das Rohr 53 zur Pumpe 51, hingegen über 1000C durch die Rohre 45 und dann zur Pumpe.
Während der anfänglichen Betriebsperiode strömen die Verbrennungsgase durch den Vorwärmer 26 und werden durch das durch diesen fliessende Wärmeübertragungsmedium aufgeheizt, so dass eine Kondensation von korrosiven Materialien im Staubabscheider 28 und dem Abzugsgebläse 30 ausgeschlossen wird. Wenn die Temperatur der Verbrennungsgase ansteigt und das Medium im Wärmeaustauscher erhitzt, strömt heisses Medium auch durch den Vor-Lufterhitzer 34 und sobald die Temperatur des Mediums die Steuertemperatur von z. B. 1200C übersteigt, wird der Dampfstrom zum Expansionsbehälter 44 unterbrochen.
Im normalen Betrieb einer Einheit der beschriebenen Art betrug die Temperatur der eintretenden Gase 1800C und nach dem Aufheizen des Mediums im Wärmeaustauscher 42 die Austrittstemperatur 1300C. Das Gas strömte bei einer Temperatur von 1300C aus. Bei einem ähnlichen Fall von Strömungsbedingungen lag die Temperatur der in den Austauscher 34 einströmenden Luft bei 40 C, und nach dem Kühlen des Mediums von 1000C strömte die erhitzte Luft mit 1300C aus.
Während die Erfindung in der derzeit bekannten Ausführungsform und Betriebsweise dargestellt wurde, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen in der Form der beschriebenen Apparatur ohne Verlassen des Rahmens der Erfindung möglich sind und dass gewisse Merkmale der Erfindung gelegentlich auch ohne Mitbenutzung entsprechender anderer Merkmale verwendet werden können.
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