DE102009021661A1

DE102009021661A1 - Wirbelschicht-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102009021661A1
Application number: DE200910021661
Authority: DE
Inventors: Michael Missalla; Jürgen Emmel; Peter Dipl.-Ing. Sturm
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Outotec Oyj
Priority date: 2009-05-16
Filing date: 2009-05-16
Publication date: 2010-11-25
Also published as: BRPI1012208A2; AU2010251492A1; EA201190288A1; WO2010133284A1

Abstract

Ein Wärmetauscher besteht aus einem Bündel (1) mit im Wesentlichen parallelen Wärmetauscherrohren (2) für den Einsatz in einer stationären Wirbelschicht, in welcher Feststoffpartikel durch die Zufuhr eines Fluid- oder Gasstroms in einen fluidisierten Zustand versetzt werden, zum Aufheizen oder Abkühlen des fluidisierten Feststoffes. Die horizontalen lichten Rohrabstände (Ah) liegen im Bereich von 10 bis 30 mm, vorzugsweise 12 bis 20 mm, und die vertikalen lichten Rohrabstände (Av) betragen 15 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm. Der Durchmesser (D) der Wärmetauscherrohre (2) liegt bei etwa 15 bis 50 mm, vorzugsweise bei etwa 20 und 30 mm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher aus einem Bündel mit im Wesentlichen parallelen Wärmetauscherrohren für den Einsatz in einer stationären Wirbelschicht, in welcher Feststoffpartikel durch die Zufuhr eines Fluid- oder Gasstroms in einen fluidisierten Zustand versetzt werden, zum Aufheizen oder Abkühlen des fluidisierten Feststoffes.
In einer stationären oder Blasen bildenden Wirbelschicht werden Feststoffpartikel durch die Zufuhr eines Fluid- oder Gasstroms, insbesondere Fluidisierungsluft, in einen fluidisierten Zustand versetzt, in dem es zu einem engen Kontakt zwischen dem Wirbelgut und dem Wirbelmedium kommt. Die Fluidisierungsluft wir im Allgemeinen durch einen Gasverteiler von unten in die Feststoffschüttung eingeleitet, um eine gleichmäßige Fluidisierung zu erreichen. In der Wirbelschicht erfolgt dann durch Wärme- und/oder Stoffübergang eine Behandlung des Wirbelgutes, bevor dieses aus der Wirbelschicht abgezogen wird. Der Wärme- oder Stoffübergang wird durch die Blasengröße der in die Wirbelschicht eingebrachten Fluidierungsluft beeinflusst.
Zur Wärmebehandlung der Feststoffpartikel in der Wirbelschicht ist es zudem bekannt, in dieser einen Rohrbündelwärmetauscher vorzusehen, durch welchen ein Heiz- oder Kühlmedium geleitet wird, um das Wirbelgut aufzuheizen oder abzukühlen. Üblicherweise bestehen diese Rohrbündel aus wenigen, relativ großen Wärmetauscherrohren, um eine Verstopfung der Bündel zu vermeiden. Die Wärmetauscherrohre beeinflussen die Strömung der Fluidisierungsluft in der Wirbelschicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wärmeübergang in einer stationären Wirbelschicht zu optimieren.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die horizontalen lichten Rohrabstände im Bereich von 10 bis 30 mm, vorzugsweise 12 bis 20 mm, liegen und dass die vertikalen lichten Rohrabstände 15 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm, betragen. Der Durchmesser der Wärmetauscherrohre soll bei etwa 15 bis 50 mm, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 30 mm, liegen.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass der Einsatz eines solchen Wärmetauschers gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern mit größeren Rohrteilungen und Rohrdurchmessern eine nennenswerte Reduktion der Blasengröße des Fluidisierungsmediums mit sich bringt. Durch die kleineren Blasen entsteht eine gleichmäßigere Durchmischung des Fluidisierungsgases mit dem Feststoff. Dadurch wird der Wärmeübergang in dem System Fluidisierungsgas, Feststoff, Bündel, Heiz-/Kühlmedium in den Wärmetauscherrohren verbessert. Zusätzlich wird durch die geringere Implosionsenergie der Gasblasen die Menge des aus der fluidisierten Schicht ausgetragenen Feststoffmaterials reduziert. Dadurch werden negative Staubkreisläufe verringert und der Wirkungsgrad gesteigert. Die erfindungsgemäße Lösung führt außerdem zu einer Verkleinerung der Baugröße des Wärmetauschers.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Wärmetauscherrohre in dem Bündel über im Wesentlichen senkrecht zu den Wärmeträgerrohren verlaufende Profile zu verbinden, insbesondere zu verschweißen. Wegen der kleineren Gasblasen wird in dem Wärmetauscher eine höhere Frequenz gemessen, welche das Wärmetauscherrohrbündel leicht in Schwingungen versetzen und dadurch beschädigen könnte. Durch Verschweißen der Wärmetauscherrohre im Bündel mit Profilen wird dies verhindert. Durch die senkrecht angeordneten Profile wird zudem die Strömung des Fluidisiermediums nicht wesentlich beeinflusst.
Dabei können die Wärmetauscherrohre mit den Profilen über Halter verbunden werden, wobei die Wärmetauscherrohre vorzugsweise in Aussparungen der Profile gehalten werden, um eine stabilere Befestigung zu erreichen und die Breite des Wärmetauscher zu verringern.
In Weiterbildung der Erfindung werden die Profile über die Verklammerungen miteinander verbunden, wobei die Verklammerungen insbesondere mit den Haltern und/oder den Profilen verschweißt sind. Dadurch entsteht ein sehr steifes Wärmetauscherrohrbündel mit relativ großer Masse, das durch die Bettfrequenzen nicht mehr zum Schwingen angeregt werden kann.
Als einfache handelsübliche Bauteile für das Wärmetauscherrohrbündel können Rundrohre für die Wärmetauscherrohre und Vierkantprofile für die Versteifungsprofile eingesetzt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Wirbelschichtreaktor mit einem Wärmetauscher der zuvor erörterten erfindungsgemäßen Art. In einem solchen Wirbelbettreaktor werden insbesondere die beiden wesentlichen Effekte erzielt, wonach zum einen der Wärmeübergang verbessert und dadurch der Wärmetauscher kleiner werden kann und zum anderen durch die Verringerung des ausgetragenen Wirbelproduktes aufgrund der geringen Blasenenergie die Produkteffizienz gesteigert wird.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherbündel und
2 eine teilweise Ansicht von oben auf das erfindungsgemäße Wärmetauscherbündel.
Der die Erfindung aufweisende Wärmetauscher weist ein Bündel 1 mit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Wärmetauscherrohren 2 für den Einsatz in einer stationären Wirbelschicht auf. Die Wärmetauscherrohre 2 können zum Aufheizen oder Abkühlen des fluidisierten Feststoffes der Wirbelschicht mit einem Heiz- bzw. Kühlmedium beschickt werden.
Die Wärmetauscherrohre 2 sind bei der dargestellten Ausführungsform in mehreren Reihen vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet.
Die horizontalen lichten Rohrabstände Ah liegen im Bereich von 10 bis 30 mm, vorzugsweise 12 bis 20 mm, und die vertikalen lichten Rohrabstände Av betragen 15 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm. Die in der Zeichnung angegebene horizontale Rohrteilung (Th) und vertikale Rohrteilung (Tv) sind die Abstände der Rohr-Längsachsen. Sie ergeben sich aus der Festlegung der lichten Rohrabstände und der Rohrdurchmesser. Der Durchmesser der Wärmetauscherrohre soll bei etwa 15 bis 50 mm, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 30 mm, liegen.
Die Wärmetauscherrohre 2 in dem Bündel 1 sind mit im Wesentlichen senkrecht zu den Wärmeträgerrohren 2 verlaufenden Vierkantprofilen 3 über Halter 4 geklemmt. Die Klemmwirkung entsteht durch die Schweißnähte 5. Dabei weisen die Profile 3 halbrunde Aussparungen 6 auf, in welche die Wärmetauscherrohre 2 jeweils mit ihrem halben Umfang eingesetzt sind. Dabei sind benachbarte Profile 3 über Verklammerungen 7 miteinander verbunden, welche vorzugsweise mit den Haltern 4 verschweißt sind.
An ihren oberen und unteren Enden sind die Profile 3 jeweils in nicht dargestellter Weise verschlossen, damit keine Fluidisierungsluft und kein Feststoff nicht durch sie hindurchtritt.

1: Bündel
2: Wärmetauscherrohre
3: Profile
4: Halter
5: Schweißstellen
6: Aussparungen
7: Verklammerungen/Abstandshalter
A: lichter Abstand
D: Durchmesser
T: Teilung

Claims

Wärmetauscher aus einem Bündel (1) mit im Wesentlichen parallelen Wärmetauscherrohren (2) für den Einsatz in einer stationären Wirbelschicht, in welcher Feststoffpartikel durch die Zufuhr eines Fluid- oder Gasstroms in einen fluidisierten Zustand versetzt werden, zum Aufheizen oder Abkühlen des fluidisierten Feststoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen lichten Rohrabstände (Ah) im Bereich von 10 bis 30 mm, vorzugsweise 12 bis 20 mm, liegen und dass die vertikalen lichten Rohrabstände (Av) 15 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm, betragen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Wärmetauscherrohre (2) bei etwa 15 bis 50 mm, vorzugsweise bei etwa 20 und 30 mm, liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherohre (2) in dem Bündel über im Wesentlichen senkrecht zu den Wärmetauscherohren (2) verlaufende Profile (3) verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (2) mit den Profilen (3) über Halter (4) verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (2) in Aussparungen (6) der Profile (3) gehalten werden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscherohre (2) und/oder die Profile (3) über Verklammerungen (7) miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halter (4) und/oder die Verklammerungen (7) mit den Profilen (3) verschweißt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (2) Rundrohre und/oder die Profile (3) Vierkantprofile sind.
Wirbelschichtreaktor mit einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8.