DE102008058893B3

DE102008058893B3 - Gasdurchlässige Begrenzungswand

Info

Publication number: DE102008058893B3
Application number: DE200810058893
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Fend; Bernhard Prof. Dr.-Ing. Hoffschmidt; Shashikant Dipl.-Ing. Warerkar; Stefan Dipl.-Ing. Schmitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: EP2352962A2; WO2010060933A2; WO2010060933A3; EP2352962B1

Abstract

Die Begrenzungswand eines Luft-Sand-Wärmeübertragers ist als poröse Hohlblockwand ausgebildet. Sie weist Kanäle (15) auf, die durch Kanalwände (16) begrenzt sind. Die Kanalwände können von der unter Druck stehenden heißen Luft durchströmt werden. Wegen der durch die Kanäle gebildeten Hohlräume hat die Begrenzungswand einen niedrigen Luftwiderstand. Die Kanäle (15) können in der Ebene der Begrenzungswand verlaufen oder auch rechtwinklig oder unter einem anderen Winkel hierzu.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdurchlässige Begrenzungswand zum Eingrenzen eines Partikelstroms, insbesondere für einen Luft-Sand-Wärmeübertragen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In DE 102 08 487 A1 ist eine Vorrichtung zur Nutzung der Wärme hocherhitzter Heißluft beschrieben. Die Heißluft, die von einem Strahlungsreceiver auf über 1000°C erhitzt wurde, überträgt ihre Wärme auf einen Sandstrom. Dabei wird die Heißluftströmung beim Luft-Sand-Wärmetauscher von unten zugeführt, während der Sand in dem Wärmetauscher von oben nach unten herabrieselt.
DE 10 2004 019 801 A1 beschreibt einen Gas-Sand-Wärmetauscher mit einem Schacht, der einen Sandeinlass und einen Sandauslass mit einer dazwischen gelegenen Sandstrecke aufweist. Die Schachtwände und die Sandstrecke werden von Heißluft durchströmt.
Bei der Wärmeübertragung von Luft auf einen Partikelmassenstrom hängt die Effizienz maßgeblich von der Leistung des den Luftstrom transportierenden Gebläses ab. Die Gebläseleistung ist proportional zum Strömungswiderstand, der durch den Druckverlust in der durchströmten Sandschicht und die porösen Trennwände bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gasdurchlässige Begrenzungswand mit verringertem Strömungswiderstand zu schaffen.
Die gasdurchlässige Begrenzungswand nach der Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Sie besteht aus einem einstückigen Gitterkörper aus geraden Kanälen, die umfangsmäßig durch Kanalwände begrenzt sind.
Die Kanäle schaffen große Hohlräume in der porösen Struktur der Begrenzungswand und verringern damit den Strömungswiderstand. Die Kanalwände bilden eine Gitterstruktur zur Gewährleistung der erforderlichen Festigkeit der Begrenzungswand. Durch Reduzierung der Wanddicke auf eine für den Druckverlust akzeptable Größe unter Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit wird eine Begrenzungswand geschaffen, die die für die Begrenzungsfunktion erforderlichen mechanischen Eigenschaften hat, jedoch einen geringen Luftwiderstand bietet.
Die Erfindung ist anwendbar in Gasturbinen- bzw. GuD-Kraftwerken bei der Speicherung von Hochtermperaturabwärme, in der Stahlindustrie zur Vorwärmung der Luft in den Brennkammern von Hochtemperaturöfen, in der Regenerator-Industrie zur Zwischenspeicherung von Abwärme und Nutzung zur Vorwärmung von Verbrennungsluft und für solarthermische Kraftwerke bei der Abführung von Wärme von einem Strahlungsabsorber, wie in DE 102 08 487 A1 beschrieben.
Der generelle Gedanke der Erfindung besteht darin, die poröse Begrenzungswand nicht massiv zu machen, sondern sie mit Kanälen zu durchziehen. Die Kanalwände bilden dann eine stabilisierende Stegstruktur. Für die Anordnung der Kanäle gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle parallel zu der Partikelseite und quer zur Strömungsrichtung des Luftmassenstromes angeordnet. Eine andere Variante sieht vor, dass die Kanäle parallel zur Richtung des Partikelmassenstroms verlaufen. In diesem Fall kann die Partikelseite der Begrenzungswand als geschlossene poröse Wand ausgebildet werden.
Wenn die Kanäle quer zur Richtung des Partikelmassenstromes verlaufen, können mindestens einige Kanäle an der Partikelseite offene Kanalenden aufweisen. Das Eindringen von Partikeln in die Kanäle wird durch die Luftströmung verhindert.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanäle wenigstens annähernd in Richtung des Luftmassenstromes verlaufen und mindestens einige Kanäle an der Partikelseite geschlossen sind. Die Kanäle können nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sein, wobei jeder zweite Kanal an der Luftseite geschlossen und an der Partikelseite offen ist, wobei die dazwischen liegenden Kanäle an der Luftseite offen und an der Partikelseite geschlossen sind.
Vorzugsweise besteht die Begrenzungswand aus einer porösen Keramik, insbesondere aus SiC-Keramik, wie ReSiC oder SiSiC. Es ist auch möglich, die Kanalwände an ihren Enden an der Partikelseite zu härten, beispielsweise durch Si-Infiltration. Das Material der porösen Wände sollte hochtemperaturbeständig sein und einer Anwendungstemperatur von > 900° widerstehen.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Begrenzungswand, bei der die Kanäle parallel zu der Partikelseite und quer zur Strömungsrichtung des Luftmassenstroms verlaufen,
2 eine Variante, bei der die Kanäle quer zur Richtung des Partikelmassenstromes verlaufen,
3 eine ähnliche Ausführungsform wie 2, jedoch mit zur Partikelseite hin abfallenden Kanälen und
4 eine Ausführungsform, bei der die Kanäle wechselseitig an entgegengesetzten Enden geschlossen sind.
In 1 ist eine Begrenzungswand 10 dargestellt, deren eine Seite als Luftseite 11 und deren gegenüberliegende Seite als Partikelseite 12 bezeichnet wird. Auf der Partikelseite 12 bewegt sich ein Partikelmassenstrom 13, der hier von oben nach unten verläuft. Der Partikelmassenstrom 13 besteht aus Sand, insbesondere Quarzsand oder anderen Schüttgütern, der hier aufgrund der Schwerkraft herabfällt oder entlang rutscht.
Die Luftseite 11 begrenzt einen Raum, in dem heiße Luft unter Druck enthalten ist, so dass ein Luftmassenstrom 14 entsteht, der durch die poröse Begrenzungswand 10 hindurchgeht. Jenseits der Begrenzungswand trifft der Heißluftstrom auf den Partikelmassenstrom 13, so dass eine Wärmeübertragung von der Heißluft auf den Partikelmassenstrom stattfindet. Die Vorrichtung bildet einen Luft-Sand-Wärmeübertrager.
Zur Verringerung des Luftwiderstandes der Begrenzungswand 10 ist die Begrenzungswand als Hohlblockkörper ausgebildet. Sie enthält parallele Kanäle 15, die das Innere der Begrenzungswand durchziehen. Die Kanäle 15 sind geradlinig. Sie sind durch Kanalwände 16 begrenzt. Die Kanalwände 16 bilden einerseits Trennstege zwischen den Kanälen und andererseits auch die Kanalbegrenzungen zur Luftseite 11 und zur Partikelseite 12 hin.
Die den Partikelmassenstrom 13 begrenzende Grenzwand 17 ist eine geschlossene Wand. Die Kanäle 15 verlaufen parallel zu der Partikelseite 12 und quer zur Richtung des Luftmassenstromes 14. Die dem Luftmassenstrom 14 ausgesetzte Grenzwand 18 ist ebenfalls eine geschlossene Wand. Die gesamte Begrenzungswand 10 besteht aus einem einstückigen Profilkörper. Der Luftmassenstrom 14 durchdringt die Grenzwände 18 und 17. Infolge der hohlen Kanäle 15 ist der Luftwiderstand, den die Begrenzungswand 10 zwischen der Luftseite und der Partikelseite bietet, gering. Die Fläche der Kanalwände 16 ist maximal 20% der Fläche eines Kanales 15.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht die Begrenzungswand 10 aus zwei Reihen von Kanälen 15. Auch weniger oder mehr Reihen von Kanälen sind möglich. Im unteren Grenzfall besteht die Begrenzungswand aus nur einer Reihe paralleler Kanäle. Die Kanäle sind rechteckig, so dass die Kanalwände 16 überall gleiche Wandstärke haben. Es besteht auch die Möglichkeit, die Kanäle polygonförmig mit mehr als vier Ecken zu gestalten oder auch als runde Kanäle.
Die Kanalwände bestehen z. B. aus rekristallisiertem Siliziumcarbid mit einer Porosität von bis zu 45% oder aus einem porösen Metall oder einer anderen porösen Keramik.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 verlaufen die Kanäle 15 quer zur Richtung des Partikelmassenstroms 13 und in Richtung des Luftmassenstromes 14. Die Kanäle 15 sind an der Luftseite 11 und an der Partikelseite 12 offen. Die Heißluft wird also durch die offenen Kanäle 15 praktisch ohne jeglichen Luftwiderstand geführt. Das Austreten von Sand wird durch den zugeführten Luftmassenstrom 14 verhindert. Der Luftwiderstand wird lediglich durch Reibung an den Kanalwänden, am Kanaleinlauf und am Kanalauslauf, bestimmt. Durch Härtung, z. B. Si-Infiltration, an der Partikelseite 12 der Kanalstruktur wird die Haltbarkeit der Begrenzungswand deutlich erhöht. Der Abrieb einer Begrenzungswand kann über einen Nachführmechanismus ausgeglichen werden.
3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 2, wobei die Kanäle jedoch nicht horizontal sind, sondern zur Partikelseite 12 hin abfallen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 hat jeder zweite Kanal 15 an der Luftseite 18 eine geschlossene Stirnwand 20, während die dazwischen liegenden Kanäle 15 dort eine Öffnung 21 haben. Stirnwände 20a und Öffnungen 21 haben die dazwischen liegenden Kanäle auf der Partikelseite 17. Jeder der Kanäle ist also an einem Ende verschlossen und am anderen Ende offen. Die verschlossenen Enden auf der Partikelseite 17 können durch Nachsizilieren gehärtet werden, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Auch hier kann ein Wandabrieb über einen Nachführmechanismus ausgeglichen werden, durch den die gesamte Begrenzungswand in Richtung der Partikelseite 17 verschoben wird. Alle Kanäle verlaufen in Strömungsrichtung der Luft. Auf der Hinterseite der Begrenzungswand sind die Kanäle konträr zur Vorderseite geschlossen. Die Anordnung der Kanäle auf jeder Seite der Begrenzungswand entspricht den weißen und schwarzen Feldern eines Schachbretts. Der Luftmassenstrom 14 durchdringt die längslaufende Kanalwand 22 und gelangt in einen benachbarten Kanal der anderen Kanalgruppe. Aufgrund der über Umfang und Länge eines Kanals definierten vergrößerten Wandfläche ist die lokale Gasgeschwindigkeit wesentlich kleiner als bei der Durchströmung einer massiven porösen Wand.

Claims

Gasdurchlässige Begrenzungswand für einen Partikelmassenstrom (13), der von einem Luftmassenstrom (14) durchquert wird, wobei der Luftmassenstrom durch die Begrenzungswand (10) hindurchgeht, welche eine Partikelseite (12) und eine Luftseite (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswand aus einem einstückigen Gitterkörper aus geraden Kanälen (15) besteht, die umfangsmäßig durch Kanalwände (16) begrenzt sind.
Begrenzungswand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) parallel zu der Partikelseite (12) und quer zur Strömungsrichtung des Luftmassenstromes (14) verlaufen.
Begrenzungswand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) quer zur Richtung des Partikelmassenstromes (13) verlaufen.
Begrenzungswand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige Kanäle (15) an der Partikelseite offene Kanalenden aufweisen.
Begrenzungswand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) wenigstens annähernd in Richtung des Luftmassenstromes (14) verlaufen und mindestens einige Kanäle an der Partikelseite geschlossen sind.
Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind und jeder zweite Kanal an der Luftseite geschlossen und an der Partikelseite offen ist, wobei die dazwischen liegenden Kanäle an der Luftseite offen und an der Partikelseite geschlossen sind.
Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus poröser Keramik oder einem porösen Metall besteht.
Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände (16) an ihren Enden an der Partikelseite gehärtet sind.
Begrenzungswand nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (15) zur Partikelseite hin abfallen.