Verfahren zum Aufheizen der Verbrennungsluft für NM-Generatoren durch die Abgaswärme und Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Wärmetauscher zum Aufheizen der Verbrennungsluft für magnetohydrodynamische (MHD)-Generatoren, die mit rasch strömenden Flammenabgasen aus mit Luft verbrannten Brennstoffen arbeiten. Bei solchen Genera toren werden die Flammenabgase gewöhnlich mit leicht ionisierbaren Stoffen, wie Salzen der Alkalimetalle, - als sogenanntem Saatmaterial - versetzt, wodurch man ein Arbeitsgas mit Plasmaeigenschaft erhält.
Legt man senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas ein Magnetfeld an, so kann man an Elektroden, die senk recht zur Strömungsrichtung und zum Magnetfeld ange ordnet sind, elektrische Leistung entnehmen.
Um MHD-Generatoren, die mit Flammenabgasen arbeiten, wirtschaftlich betreiben zu können, ist man bestrebt, die Brennstoffe (z. B. Öle oder Kohlenstaub) nicht mit reinem Sauerstoff, sondern mit atmosphäri scher Luft zu verbrennen. Das setzt voraus, dass die Luft auf Temperaturen von über 1500 C, möglichst sogar über 2000 C, vorerwärmt wird.
Zum Erhitzen der Verbrennungsluft bieten sich die heissen Abgase an, die aus dem Generaborkanal, in dem die Elektroden gewöhnlich angeordnet sind, aus treten. Mit bisher üblichen Wärmetauschern lassen sich so hohe Temperaturen aber nicht beherrschen. So kön nen z. B. Rekuperatoren, die bekanntlich nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, wegen .der empfindlichen wärmetauschenden Trennwände nur für Betriebstempe raturen bis 800 C gebaut werden.
Aufgabe der Erfindung ist es :deshalb, einen Weg zu finden, der es gestattet, mit der Abgaswärme von MHD-Generatoren :die Verbrennungsluft auf Tempera turen über 1500 C fortlaufend zu erwärmen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Ver fahren zum Aufheizen der Verbrennungsluft durch die Abgaswärme über ein schmelzflüssiges übertragungs- medium. Die erfinderische Massnahme besteht darin, dass der Wärmeaustausch am Oberflächenspiegel einer Schmelze von Gläsern, Metalloxyden oder Metallen stattfindet. Die Medien, zwischen denen der Wärme austausch stattfinden soll, werden dabei unmittelbar in wärmeleitenden Kontakt gebracht.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird ein Wärmetau scher vorgeschlagen, der aus einem in den Abgasstrom eingeschalteten ersten Behälter nach Art einer Glas schmelzwanne und aus einem in die Luftzuführung eingeschalteten zweiten Behälter zum Beschicken mit Schmelze aus :dem ersten Behälter besteht.
Es ist aber auch möglich, Flammenabgase und Ver brennungsluft durch einen einzigen Behälter zu führen. Dieser kann etwa mit einer Trennwand, die knapp bis unterhalb des Niveaus für den Spiegel der Schmelze ge führt ist, in zwei Strömungsräume unterteilt sein. Der Wärmeaustausch findet dann wieder direkt über die Schmelze statt.
Solche Wärmetauscher haben den Vorteil, dass sie wegen der mit Siemens-Martinöfen bzw. Glasschmelz wannen vorliegenden Erfahrungen robuste und betriebs sichere Anlagen sind.
Es lassen sich auch die an Glasschmelzwannen mit Re generatoren gewonnenen Erfahrungen verwerten. Diese Regeneratoren sind bekanntlich Schächte, die mit keramischen Körpern zur Oberflächenvergrösserung kreuzweise so ausgesetzt sind, dass kammerartige Zellen entstehen. Solche Regeneratoren werden im Wechsel betrieb .einmal von den heissen Abgasen durchströmt und dienen danach zum Zuführen der Verbrennungsluft.
Dieses Prinzip der Regeneratoren ist aber für die Er zeugung eines kontinuierlichen Plasmastrahles, wie er für den Betrieb von MHD-Generatoren notwendig ist, nicht geeignet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele für Wärmetauscher beschrieben werden, die zur Durchführung des erfin dungsgemässen Verfahrens dienen und in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.
Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines solchen Wärmetauschers weitgehend im Schnitt dargestellt. Fig. 2 gibt im punktiert umrandeten Feld eine schematische Schnittdarstellung eines MHD-Generators wieder, den man sich im Feld 2 nach Fig. 1 angeordnet zu denken hat.
Fig. 3 ist eine längs der Ebene III III nach Fig. 1 genommene Querschnittsansicht.
Fig. 4 und 5 zeigen grobschematisch und verein facht Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern in an derer Schaltung.
Fig. 6 ist die Ansicht nach einem Schnitt durch einen weiteren Wärmetauscher gemäss der Erfindung mit einem inneren Kreislauf des wärmetauschenden Be schickungsgutes.
In Fig. 1 erzeugt der als Ringdüse ausgebildete Brenner 1 eine heisse Flamme, deren Abgase durch den MHD-Generator 2 geleitet werden. Die Flammen abgase gelangen anschliessend durch einen für sie durch- strömbaren Behälter 3 mit den Durchbrüchen 4 und 5, der nach Art einer Glasschmelzwanne aufgebaut ist. Der Behälter 3 ist mit Materialien, wie Gläsern, Metall oxyden oder Schlacken beschickt, die von den Flammen abgasen geschmolzen bzw. erhitzt werden. Im schmelz flüssigen Zustand wird das Beschickungsgut in einen zweiten wärmeisolierten Behälter 7 gegeben. Dieser ist in die Zuführungsleitung 8 für die Verbrennungsluft zwischengeschaltet.
Die den Behälter 7 durchströmende Luft erhitzt sich auf 1500 bis 2000 C und gelangt über die Leitung 8 in den Brenner 1. Durch eine Leitung 11 kann dem Brenner 1 Brennstoff, wie Dieselöl, zugeführt werden, das an der heissen Luft verbrennt. Um komprimierte Luft, z. B. mit einem Druck von 20 bis 30 at, verwen den zu können, ist der Behälter 7 druckfest ausgebildet.
Der Behälter 3 kann aus Schamottesteinen zusam mengefügt oder aus feuerfester Masse gestampft sein und von verspannten Eisenankern zusammengehalten werden, die der Übersichtlichkeit wegen nicht darge stellt sind.
Der Behälter 3 hat am Boden, also unterhalb des Niveaus für den Spiegel der Schmelze einen Auslass 13, der durch ein Ventil, hier durch einen mit Schamotte belegten Schieber 14, verschlossen ist. Oberhalb des Niveaus für den Spiegel der Schmelze, an der Decke des Behälters, befindet sich ein Einlass 15, um abgekühl tes Beschickungsgut aus dem Behälter 7 einlegen zu können. Der Einlass ist mit einem Ventil 16, hier z. B. mit einem wassergekühlten Schieber aus Stahl, ver schlossen.
Der Behälter 3 kann, wie Fig. 3 zeigt, gewölbe- artig aufgebaut sein.
Der zylindrische Behälter 7 ist in seinem inneren Teil ähnlich aufgebaut wie der Behälter 3. Um eine Schicht aus Schamottesteinen kann eine weitere Schicht 17 aus sogenannter Leichtschamotte aufgemauert sein. Unter Leichtschamotte versteht man dabei poröse Steine aus einer Schamottemasse. Um dem Brenner kompri mierte Luft zuführen zu können, ist .der Behälter 7 mit einem druckfesten Stahlmantel umgeben, der :durch Böden 18 mit Flanschen 19 abgeschlossen wird.
Zum Beschicken hat der Behälter 7 einen Einlass 20 mit einem Ventil 16 der beschriebenen Art. Durch einen Auslass 21 mit einem Ventil 16 kann abgekühltes Beschickungsgut entnommen werden.
Zum Umfüllen zwischen den beiden Behältern 3 und 7 des Wärmetauschers können Umfüllbehälter 9 verwendet werden, ähnlich denen, die in der Giesserei technik Verwendung finden. Sie können einen mit Schamotte ausgekleideten Stahlmantel haben und einen Einlass 22 sowie einen Auslass 23 aufweisen. Der Aus lass 23 kann auch als Ventil einen konusartigen Ver- schlusskopf 24 aus oxydationsgeschütztem Molybdän haben, der über ein Gestänge 25 von aussen angehoben bzw. gesenkt werden kann.
Um ein Einfüllen gegen Druck in den Druckbehälter 7 zu ermöglichen, kann dem Einlass 22 des Umfüllbehälters 9 Luft mit einem geringen Überdruck aufgegeben werden. Die Behälter 9 können umgesetzt werden, wie in der Figur durch die verschiedenen Positionen angedeutet ist.
Der in Fig. 2 schematisch dargestellte MHD-Gene- rator besteht aus Brenner 1, Brennkammer 26, Be schleunigungsdüse 27 und Generatorkanal 28. Im Ge- neratorkanal sind Elektroden 29 mit Durchführungen 30 durch isolierende Abdeckhauben 31 geführt. Senk recht zur Zeichenebene ist ein Magnetfeld angelegt zu denken.
Der Wärmetauscher nach der Erfindung eignet sich verständlicherweise nicht nur für den angedeuteten Typ des MHD-Generators, sondern auch für alle ande ren Generatortypen, die mit Flammenabgasen betrieben werden.
Nach Fig. 4 ist der von den Flammenabgasen .durch strömte Behälter 3 unterhalb .des Druckbehälters 7 angeordnet und sein Einlass 15 ist mit einem Auslass 21 des Behälters 7 durch eine Rohrleitung verbunden. Es können jeweils mehrere Einlässe und Auslässe vor gesehen werden, um die Behälter leichter reinigen zu können und um die Erstbeschickung zu erleichtern. Als Ventil kann für den Auslass 21 ein konusförmiger Verschlusskörper 24 dienen. In die Rohrleitung 8 wird in der Richtung des Pfeiles 32 komprimierte Luft einge drückt. Die Flammengase entweichen in Richtung des Pfeiles 33.
Hebt man den Verschlusskörper 24, so fliesst wegen des Überdruckes und wegen der Schwerkraft Schmelze in den Behälter 3. Das Umfüllen der Schmelze aus dem Behälter 3 in Druckbehälter 7 kann wieder mit Umfüllbehältern durchgeführt werden.
Fig. 5 zeigt einen anderen Aufbau eines Wärme tauschers nach der Erfindung. Der von den Flammen gasen durchströmte .Behälter 3 ist oberhalb des Druck behälters 7 angeordnet und sein einer Einlass 15 ist mit einem Auslass 21 des Druckbehälters durch eine Rohr leitung 34 verbunden. Komprimierte Luft wird wieder in Richtung des Pfeiles 32 in die Leitung 8 eingedrückt und die Flammengase verlassen den Wärmetauscher in Richtung des Pfeiles 33.
Wird der konusförmige Ver- schlusskörper 24 des Ventils geöffnet, so fliesst die ab gekühlte Schmelze bei geeigneter Ausbildung der Ein lassöffnung 15, z. B. durch siebartiges Ausbilden, und bei entsprechendem Überdruck dem Behälter tropfen- förmig zu. Das Umfüllen bzw. Beschicken des Druck- bebälters 7 mit Schmelze aus dem Behälter 3 kann wieder mit Umfüllbehältern erfolgen. In gleicher Weise kann die Einlassöffnung 20 zur Erzielung des gleichen Effektes ausgebildet sein.
Der Wärmetauscher nach Fig. 6 hat einen inneren Kreislauf des Beschickungsgutes. Die Behälter 3 und 7 sind durch die Rohrleitung 10 in gleicher Weise mit einander verbunden wie nach Fig. 4. Der Behälter 7 ist wieder als Druckbehälter ausgebildet. Ausserdem ist aber auch der von den Flammengasen durchströmte Behälter 3 über eine Rohrleitung 35 mit einer Injektor- düse 36 verbunden, die in der Leitung 8 für die Zu führung .der Verbrennungsluft lieb.
Die Injektordüse 36 ist frischluftseitig vor dem Behälter 7 angeordnet und saugt wegen der unter Druck (10 bis 20 at) hindurch- strömenden Luft Schmelze an und bläst sie in Tropfen form in den Behälter 7. Die Leitung 35 ist mit wärme dämmenden Mitteln ummantelt. Bei längeren Leitun gen kann die Leitung auch zusätzlich beheizt werden, um Abkühlung der Schmelze zu vermeiden.
Das tropfenförmige Beschickungsgut in dem Druck behälter 7 hat wegen der Tropfenform eine grosse Oberfläche, was eine besonders intensive Wärmeab gabe an die Luft bewirkt. Anderseits erleichtert tropfen- förmiges Beschickungsgut im Behälter 3 das Erhitzen bzw. Schmelzen des Gutes.
Man kann deshalb daran denken, durch die Art der Zusammensetzung des Beschickungsgutes die Trop- fenbildung zu verstärken.
Die Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung regen zu vielfältigen Variationen an, um den jeweiligen Erfor dernissen gerecht zu werden. So kann z. B. bei der Anordnung nach Fig. 6 die Umfüllung aus dem Druck behälter 7 über die Rohrleitung 10 durch einen trichter förmig ausgebildeten Innenboden des Druckbehälters 7 erleichtert werden.
The invention relates to a method and a heat exchanger for heating the combustion air for magnetohydrodynamic (MHD) generators that work with rapidly flowing flames from air-burned fuels. In such genera gates, the flame exhaust gases are usually with easily ionizable substances, such as salts of alkali metals, - as so-called seed material - added, whereby a working gas with plasma properties is obtained.
If a magnetic field is applied perpendicular to the direction of flow of the plasma, electrical power can be obtained from electrodes that are perpendicular to the direction of flow and to the magnetic field.
In order to be able to operate MHD generators that work with flame exhaust gases economically, efforts are made not to burn the fuels (e.g. oils or coal dust) with pure oxygen, but with atmospheric air. This assumes that the air is preheated to temperatures of over 1500 C, if possible even over 2000 C.
The hot exhaust gases that emerge from the generator duct, in which the electrodes are usually arranged, are ideal for heating the combustion air. Such high temperatures cannot, however, be controlled with conventional heat exchangers. So can nen z. B. recuperators, which are known to work on the countercurrent principle, because of .the sensitive heat-exchanging partitions are only built for operating temperatures up to 800 C.
The object of the invention is: therefore to find a way that allows using the exhaust gas heat from MHD generators: to continuously heat the combustion air to temperatures above 1500 C.
The invention solves this problem by means of a method for heating the combustion air using the exhaust gas heat via a molten transfer medium. The inventive measure consists in that the heat exchange takes place at the surface level of a melt of glasses, metal oxides or metals. The media between which the heat exchange is to take place are brought into direct thermal contact.
To carry out the method according to the invention, a heat exchanger is proposed which consists of a first container connected to the exhaust gas flow in the manner of a glass melting tank and a second container connected to the air supply for charging with melt from: the first container.
But it is also possible to pass flame exhaust gases and combustion air through a single container. This can be divided into two flow spaces with a partition that leads just below the level for the level of the melt. The heat exchange then takes place again directly via the melt.
Such heat exchangers have the advantage that they are robust and operationally safe systems because of the experience with Siemens Martin ovens and glass melting tanks.
The experience gained with glass melting tanks with regenerators can also be used. As is well known, these regenerators are shafts with ceramic bodies for surface enlargement which are exposed crosswise in such a way that chamber-like cells arise. Such regenerators are alternately operated. Once the hot exhaust gases flow through them and then serve to supply the combustion air.
However, this principle of regenerators is not suitable for generating a continuous plasma jet, as is necessary for the operation of MHD generators.
For a better understanding of the invention, exemplary embodiments for heat exchangers are described below, which are used to carry out the method according to the invention and are shown schematically in the drawing.
Fig. 1 shows the basic structure of such a heat exchanger largely in section. In the field bordered by dotted lines, FIG. 2 reproduces a schematic sectional illustration of an MHD generator which is to be thought of as being arranged in field 2 according to FIG. 1.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the plane III III of FIG.
Fig. 4 and 5 show a rough schematic and simplified embodiments of heat exchangers in which circuit.
Fig. 6 is the view after a section through a further heat exchanger according to the invention with an internal circuit of the heat-exchanging loading goods.
In FIG. 1, the burner 1 designed as a ring nozzle generates a hot flame, the exhaust gases of which are passed through the MHD generator 2. The flame exhaust gases then pass through a container 3 through which they can flow and with openings 4 and 5, which is constructed in the manner of a glass melting tank. The container 3 is charged with materials such as glasses, metal oxides or slag, which are melted or heated exhausted by the flames. In the molten liquid state, the load is placed in a second heat-insulated container 7. This is interposed in the supply line 8 for the combustion air.
The air flowing through the container 7 is heated to 1500 to 2000 C and reaches the burner 1 via the line 8. The burner 1 can be supplied with fuel, such as diesel oil, through a line 11, which burns in the hot air. To use compressed air, e.g. B. with a pressure of 20 to 30 at, to be able to use the container 7 is pressure-resistant.
The container 3 can be put together from firebricks or tamped from refractory mass and held together by braced iron anchors, which are not shown for the sake of clarity.
The container 3 has an outlet 13 at the bottom, ie below the level for the level of the melt, which is closed by a valve, here by a slider 14 covered with fireclay. Above the level for the level of the melt, on the ceiling of the container, there is an inlet 15 in order to be able to insert cooled charge material from the container 7. The inlet is provided with a valve 16, here e.g. B. with a water-cooled slide made of steel, closed ver.
The container 3 can, as FIG. 3 shows, be constructed like a vault.
The inner part of the cylindrical container 7 is constructed similarly to the container 3. A further layer 17 of so-called light firebricks can be built up around a layer of firebricks. Light fireclay is understood to be porous stones made from a fireclay mass. In order to be able to supply compressed air to the burner, the container 7 is surrounded by a pressure-resistant steel jacket which: is closed off by bottoms 18 with flanges 19.
For loading, the container 7 has an inlet 20 with a valve 16 of the type described. Cooled loading material can be removed through an outlet 21 with a valve 16.
To transfer between the two containers 3 and 7 of the heat exchanger, transfer containers 9 can be used, similar to those used in foundry technology. They can have a steel jacket lined with chamotte and have an inlet 22 and an outlet 23. The outlet 23 can also have a cone-like closure head 24 made of oxidation-protected molybdenum as a valve, which can be raised or lowered from the outside via a rod 25.
In order to enable the pressure vessel 7 to be filled against pressure, air with a slight excess pressure can be applied to the inlet 22 of the transfer container 9. The containers 9 can be implemented, as indicated in the figure by the various positions.
The MHD generator shown schematically in FIG. 2 consists of a burner 1, a combustion chamber 26, an acceleration nozzle 27 and a generator duct 28. In the generator duct, electrodes 29 with bushings 30 are guided through insulating cover hoods 31. Think of a magnetic field as being perpendicular to the plane of the drawing.
The heat exchanger according to the invention is of course suitable not only for the indicated type of MHD generator, but also for all other types of generators that are operated with flame exhaust gases.
According to FIG. 4, the container 3 through which the flame exhaust gases flow is arranged below the pressure container 7 and its inlet 15 is connected to an outlet 21 of the container 7 by a pipeline. Several inlets and outlets can be seen in each case in order to make it easier to clean the containers and to facilitate the initial loading. A conical closure body 24 can serve as the valve for the outlet 21. In the pipe 8 compressed air is pressed in the direction of arrow 32. The flame gases escape in the direction of arrow 33.
If the closure body 24 is lifted, melt flows into the container 3 because of the overpressure and because of the force of gravity. The transfer of the melt from the container 3 into the pressure container 7 can again be carried out with transfer containers.
Fig. 5 shows another structure of a heat exchanger according to the invention. The container 3 through which the flame gases flow is arranged above the pressure container 7 and its one inlet 15 is connected to an outlet 21 of the pressure container by a pipe 34. Compressed air is pressed into line 8 again in the direction of arrow 32 and the flame gases leave the heat exchanger in the direction of arrow 33.
If the cone-shaped closing body 24 of the valve is opened, the cooled melt flows with a suitable design of the inlet opening 15, e.g. B. by sieve-like design, and with a corresponding overpressure to the container drop-shaped. The transferring or charging of the pressure vessel 7 with melt from the container 3 can take place again with transferring containers. In the same way, the inlet opening 20 can be designed to achieve the same effect.
The heat exchanger according to FIG. 6 has an internal cycle of the charge. The containers 3 and 7 are connected to one another by the pipeline 10 in the same way as according to FIG. 4. The container 7 is again designed as a pressure vessel. In addition, however, the container 3 through which the flame gases flow is also connected via a pipe 35 to an injector nozzle 36, which is located in the line 8 for the supply of the combustion air.
The injector nozzle 36 is arranged on the fresh air side in front of the container 7 and sucks in melt due to the air flowing through it under pressure (10 to 20 atm) and blows it in droplets into the container 7. The line 35 is encased with heat-insulating means. In the case of longer lines, the line can also be heated to prevent the melt from cooling down.
The drop-shaped load in the pressure vessel 7 has a large surface area because of the drop shape, which causes a particularly intense transfer of heat into the air. On the other hand, drop-shaped loading material in the container 3 facilitates the heating or melting of the material.
One can therefore think of increasing the formation of droplets through the nature of the composition of the charge.
The embodiments of heat exchangers for carrying out the method according to the invention stimulate many variations in order to meet the respective requirements. So z. B. in the arrangement according to FIG. 6, the transfer from the pressure vessel 7 via the pipe 10 by a funnel-shaped inner bottom of the pressure vessel 7 can be facilitated.