Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, in welchem mindestens zwei fliessfähige Medien miteinander durch wärme übertragende Wände in Wärmeaustausch stehen, wobei mindestens das eine Medium gasförmig ist und dieses auf der Gasseite der wärmeübertragenden Wände zugleich zur Bildung eines aus Reststoffteilchen bestehenden Wirbelbettes dient.
In derartigen Wärmeübertragern kann eine wesentliche Verbesserung der Wärmedurchgangszahl k( W2 0 C ) erzielt werden, wenn im gasdurchströmten Raum des Wärmeübertragers vom Gas ein aus Feststoffteilchen bestehendes Wirbelbett erzeugt wird. Diese Verbesserung der Wärmedurchgangszahl beruht auf den im Wirbelbett erzeugten Turbulenzen, welche einen verbesserten Wärmetransport der Feststoffteilchen innerhalb des Wirbelbettes und an die wärmeübertragenden Wände bewirken.
Die Erfindung hat sich die Ausbildung eines solchen Wärmeübertragers zur Aufgabe gemacht, die es bei einem relativ grossen zeitlichen Durchflussvolumen eines Gasstromes ermöglicht, den verbesserten Wärmeübergang voll auszunutzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die der Gasseite gegenüberliegenden und vom anderen Medium bespülten, wärmeübertragenden Wände je sich mindestens über 70% der Höhe des Wirbelbettes erstrecken.
Während bei einem Wärmeübertrager mit in einem Wirbelbett angeordneten rippenrohrartigen wärmeübertragenden Wänden eine verhältnismässig schlechte Übereinstimmung zwischen dem verbesserten Wärmeübergang und der verhältnismässig schlechten Wärmeleitung der Rippen besteht, kann bei der Erfindung der verbesserte Wärmeübergang aufgrund der konstruktiven Ausbildung der wärmeübertragenden Wände, welche vollständig vom anderen Medium bespült sind, optimal ausgenutzt werden.
Hierdurch ist es möglich, bei gleicher Leistung einen Wärmeübertrager mit wärmeübertragenden Wänden kleinerer Abmessungen auszubilden, wodurch auch die Druckabfälle der in Wärmeaustausch miteinander stehenden Medien vermindert werden können.
Andererseits ist es möglich, bei gleichen Abmessungen der wärmeübertragenden Wände in einem erfindungsgemäss ausgebildeten Wärmeübertrager gegenüber einem Wärmeübertrager mit rippenrohrartigen wärmeübertragenden Wänden eine höhere Leistung zu erreichen.
Weil der den Energiebedarf bestimmende Druckabfall des Gasstromes proportional zur Höhe des Wirbelbettes ist, ist man bestrebt, die Höhe des Wirbelbettes möglichst gering zu halten.
Die Breite b des Wirbelbettes zwischen zwei benachbarten wärmeübertragenden Wänden ist proportional zu seiner Höhe h, da zwischen den beiden geometrischen Grössen eines
Wärmeübertragers mit parallelen Wänden die folgende formelmässige Beziehung besteht: b 2k h NTU WGSG CG wobei diese Formel von den folgenden Gleichungen abgeleitet ist:
: F= 2hl
NTU = kF MG CG
MG = blWG 5GG
Hierin ist F die wärmeübertragende Fläche h die Höhe der wärmeübertragenden Wände 1 die Länge der wärmeübertragenden Wände NTU die Anzahl der Wärmeübertragungseinheiten k die Wärmedurchgangszahl cG die spezifische Wärme des Gases MG der mengenmässige Massendurchsatz des Gases pro
Zeiteinheit WG die mittlere Gasgeschwindigkeit im Wirbelbett SG die spezifische Dichte des Gases.
Da Nu massgebend für die Güte eines Wärmeübertragers, d.h. für dessen Wirkungsgrad ist, ergibt sich aufgrund der vorstehend erwähnten formelmässigen Beziehung h 2k
NTU b WG5G CG
Bei vorgegebenen Bezugsgrössen h, k, WG > SG und cG ist somit der Wirkungsgrad umso besser, je grösser der von h und b gebildete Quotient ist, d. h. bei durch den Druckabfall gegebenem h, je kleiner b ist.
Anders ausgedrückt kann bei vorgewählter Wirbelbetthöhe der Wirkungsgrad verbessert werden, wenn die Wirbelbettbreite höchstens so gross gewählt wird, wie sie aus der vorstehenden formelmässigen Beziehung berechnet wird.
Vorteilhaft sind die wärmeübertragenden Wände von einem Flachrohr mit einer vertikal gestellten Querschnitts-Längsachse gebildet.
Es ist jedoch auch möglich, die wärmeübertragenden Wände aus jeweils mindestens zwei vertikal übereinander angeordneten Rohren zusammenzusetzen.
Hierbei können Rohre, z. B mit kreisförmigem, viereckigem Querschnitt oder Flachrohre verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann damit der Wärmeübertrager als Kreuz Gegenstromwärmeübertrager ausgebildet sein, d. h. in diesem Falle verlaufen die Strömungsrichtungen des Mediums in jeweils zwei übereinander angeordneten Rohren im entgegengesetzten Sinne.
Schliesslich besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass die wärmeübertragenden Wände oberhalb ihrer vom anderen Medium bespülten Flächen Wandteile aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass der oberhalb des Wirbelbettes gebildete Gasraum eine grössere Breite aufweist als die Wirbelbettbreite.
Durch die Querschnittsvergrösserung des Raumes oberhalb eines Wirbelbettes wird durch die Verminderung der Gasgeschwindigkeit eine Beruhigungszone geschaffen, die einen Austrag der Feststoffteilchen nach oben mindestens weitgehend verhindert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Wärmeübertragers in perspektivischer Darstellungsweise, während in den Fig. la und 1b abgewandelte Ausführungsformen für von Flüssigkeit benetzte wärmeübertragende Flächen dargestellt sind.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellungsweise in einem Längsschnitt einen Teil einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform eines Wärmeübertragers.
Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeübertrager weist parallele, als Flachrohre ausgebildete, eine Flüssigkeit führende Strömungskanäle 1 auf.
Zwischen den Strömungskanälen befinden sich von Gas durchströmte, schachtartige Räume 2, in welchen ein mit Hilfe vom Gas aus Feststoffteilchen gebildetes Wirbelbett während des Betriebes erzeugt wird.
In die Räume 2 wird durch einen Siebboden 3 ein Gas, z. B.
Luft, eingeblasen, das durch Wärmeaustausch mit der die Kanäle 1 durchströmenden Flüssigkeit, z. B. Wasser, gekühlt wird.
In der Zeichnung sind die Strömungsrichtungen des Gases und der Flüssigkeit mit Hilfe von Pfeilen G und F angedeutet.
Ausserdem ist in Fig.1 die Höhe h, die Breite b und die Länge 1 des Wirbelbettes angegeben.
Die Fig. la zeigt einen Strömungskanal la, der reihenförmig übereinander angeordnete, von einer Flüssigkeit parallel durchströmte Rohre 4 aufweist, während Fig. 1b vertikal übereinander angeordnete, von einer Flüssigkeit durchströmte Rohre 5 mit viereckigen Querschnitten zeigt.
Zwischen je zwei benachbarten Kanälen 5 ist jeweils eine Platte 5a aus einem Isolierstoff angeordnet, um die Wärmeleitung zwischen benachbarten Kanälen zu reduzieren, da, wie in der Fig. lb schematisch durch die Symbole fürdieStrömungsrichtung angedeutet ist, der flüssigkeitsführende Teil des Wärmeübertragers als Gegenstromwärmeaustauscher ausgebildet ist, wobei die Strömungsrichtung der Flüssigkeit des obersten und des zweituntersten Strömungskanals senkrecht zur Zeichenebene nach hinten und die Strömungsrichtung der Flüssigkeit des zweitobersten und des untersten Strömungskanals senkrecht zur Zeichenebene nach vorne verläuft.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des Wärme übertragers weicht gegenüber Fig. 1 in der Weise ab, dass die Strömungskanäle 1c zwar ebenfalls aus Flachrohren bestehen, bei welchen jedoch oberhalb des Wirbelbettes und oberhalb des lichten Querschnitts der Flachrohre der eine Wandteil eines jeden Rohres gegen den anderen Wandteil abgebogen und mit diesem dichtend verbunden, beispielsweise verschweisst ist.
Hierdurch wird der Querschnitt des oberen Gasraumes, in welchem kein Wärmeaustausch mehr stattfindet, vergrössert, so dass eine Verminderung der Gasgeschwindigkeit eintritt und somit ein Austrag der Feststoffteilchen nach oben in den Abströmkanal 6 mindestens weitgehend verhindert wird. Diese Ausführungsform ist besonders dann von Vorteil, wenn im Abströmkanal 6 eine wesentlich höhere Gasgeschwindigkeit herrscht als die Gasgeschwindigkeit im Wirbelbett.
Die mit Fig. 1 übereinstimmenden Konstruktionsteile der Vorrichtung sind in Fig. 2 zur Vermeidung von Wiederholungen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Zahlenbeispiel
Im vorliegenden Zahlenbeispiel ist k 50 (m20c) NTU 1 WLuft 0,5 ( m ) CLuft 1000 IJ ) SLuft 1,15 1 () b
Hieraus ergibt sich für den Quotienten h nach der Formel b = 2k h NTU WLuft SLuft CLuft der Zahlenwert 0 174
Bei einer Wirbelbetthöhe h=50 mm beträgt dann die Wirbelbettbreite b 8,7 mm.
The invention relates to a heat exchanger in which at least two flowable media are in heat exchange with each other through heat-transferring walls, at least one medium being gaseous and at the same time serving to form a fluidized bed consisting of residual particles on the gas side of the heat-transferring walls.
In such heat exchangers, a significant improvement in the heat transfer coefficient k (W2 0 C) can be achieved if a fluidized bed consisting of solid particles is generated by the gas in the space of the heat exchanger through which gas flows. This improvement in the heat transfer coefficient is based on the turbulence generated in the fluidized bed, which causes an improved heat transport of the solid particles within the fluidized bed and to the heat-transferring walls.
The invention has set itself the task of designing such a heat exchanger, which makes it possible to fully utilize the improved heat transfer with a relatively large temporal flow volume of a gas flow.
This object is achieved according to the invention in that the heat-transferring walls opposite the gas side and flushed by the other medium each extend at least over 70% of the height of the fluidized bed.
While in a heat exchanger with finned tube-like heat-transferring walls arranged in a fluidized bed there is a comparatively poor match between the improved heat transfer and the comparatively poor heat conduction of the fins, in the invention the improved heat transfer can be achieved due to the structural design of the heat-transferring walls, which are completely flushed by the other medium are optimally used.
This makes it possible to design a heat exchanger with heat-transferring walls of smaller dimensions with the same output, whereby the pressure drops of the media exchanging heat with one another can also be reduced.
On the other hand, it is possible, with the same dimensions of the heat-transferring walls, to achieve a higher output in a heat exchanger designed according to the invention compared to a heat exchanger with finned tube-like heat-transferring walls.
Because the pressure drop in the gas flow, which determines the energy requirement, is proportional to the height of the fluidized bed, efforts are made to keep the height of the fluidized bed as low as possible.
The width b of the fluidized bed between two adjacent heat-transferring walls is proportional to its height h, since there is one between the two geometric sizes
Heat exchanger with parallel walls, the following formula exists: b 2k h NTU WGSG CG where this formula is derived from the following equations:
: F = 2hl
NTU = kF MG CG
MG = blWG 5GG
Here F is the heat transfer area h the height of the heat transfer walls 1 the length of the heat transfer walls NTU the number of heat transfer units k the heat transfer coefficient cG the specific heat of the gas MG the quantitative mass flow rate of the gas per
Time unit WG the mean gas velocity in the fluidized bed SG the specific density of the gas.
Since Nu is decisive for the quality of a heat exchanger, i.e. for its efficiency, results from the above-mentioned formulaic relationship h 2k
NTU b WG5G CG
With given reference values h, k, WG> SG and cG, the higher the quotient formed by h and b, the better the efficiency. H. for h given by the pressure drop, the smaller b is.
In other words, with a preselected fluidized bed height, the efficiency can be improved if the fluidized bed width is chosen to be at most as large as it is calculated from the above formulaic relationship.
The heat-transferring walls are advantageously formed by a flat tube with a vertically positioned cross-sectional longitudinal axis.
However, it is also possible to assemble the heat-transferring walls from at least two tubes arranged vertically one above the other.
Here, pipes such. B with a circular, square cross-section or flat tubes can be used. The heat exchanger can thus be designed particularly advantageously as a cross countercurrent heat exchanger, i.e. H. in this case, the directions of flow of the medium in two tubes arranged one above the other run in opposite directions.
Finally, an advantageous development of the invention consists in that the heat-transferring walls have wall parts above their surfaces flushed by the other medium, which are designed such that the gas space formed above the fluidized bed has a greater width than the fluidized bed width.
By increasing the cross-section of the space above a fluidized bed, reducing the gas velocity creates a calming zone which at least largely prevents the solid particles from being carried upwards.
The invention is explained below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing.
1 shows part of a heat exchanger in a perspective representation, while in FIGS. 1 a and 1 b modified embodiments are shown for heat-transferring surfaces wetted by liquid.
FIG. 2 shows, in a schematic representation in a longitudinal section, part of an embodiment of a heat exchanger that is modified from FIG. 1.
The heat exchanger shown in FIG. 1 has parallel flow channels 1 which are designed as flat tubes and carry a liquid.
Between the flow channels there are shaft-like spaces 2 through which gas flows and in which a fluidized bed formed from solid particles with the aid of the gas is generated during operation.
In the rooms 2, a gas, z. B.
Air, blown in, which by heat exchange with the liquid flowing through the channels 1, z. B. water is cooled.
In the drawing, the directions of flow of the gas and the liquid are indicated with the aid of arrows G and F.
In addition, the height h, the width b and the length 1 of the fluidized bed are indicated in FIG.
FIG. 1 a shows a flow channel 1 a, which has tubes 4 arranged in rows one above the other, through which a liquid flows in parallel, while FIG. 1 b shows tubes 5 which are arranged vertically one above the other and through which a liquid flows, with square cross-sections.
A plate 5a made of an insulating material is arranged between each two adjacent channels 5 in order to reduce the heat conduction between adjacent channels, since, as is schematically indicated in Fig. 1b by the symbols for the direction of flow, the liquid-carrying part of the heat exchanger is designed as a countercurrent heat exchanger , wherein the direction of flow of the liquid of the uppermost and the second lowermost flow channel is perpendicular to the plane of the drawing to the rear and the direction of flow of the liquid of the second uppermost and of the lowermost flow channel is perpendicular to the plane of the drawing forward.
The embodiment of the heat exchanger shown in Fig. 2 differs from Fig. 1 in such a way that the flow channels 1c also consist of flat tubes, but in which one wall part of each tube is opposite above the fluidized bed and above the clear cross section of the flat tubes the other wall part is bent and sealingly connected to it, for example welded.
As a result, the cross section of the upper gas space, in which no more heat exchange takes place, is enlarged, so that a reduction in the gas velocity occurs and thus a discharge of the solid particles upwards into the outflow channel 6 is at least largely prevented. This embodiment is particularly advantageous when the gas velocity in the outflow channel 6 is significantly higher than the gas velocity in the fluidized bed.
The structural parts of the device which correspond to FIG. 1 are denoted by the same reference numerals in FIG. 2 to avoid repetition.
Numerical example
In this numerical example, k 50 (m20c) NTU 1 WLuft 0.5 (m) CLuft 1000 IJ) SLuft 1.15 1 () b
This results in the numerical value 0 174 for the quotient h according to the formula b = 2k h NTU WLuft SLuft CLuft
With a fluidized bed height h = 50 mm, the fluidized bed width b is then 8.7 mm.