DE102015107476A1

DE102015107476A1 - Wärmetauscherelemente, insbesondere für Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken

Info

Publication number: DE102015107476A1
Application number: DE102015107476.1A
Authority: DE
Inventors: Katja Widmann
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-11-17
Also published as: WO2016180867A1; CN107592906A; EP3295107A1; US20180066903A1; US10443961B2

Abstract

Bei einem Wärmetauscherelement zur Bestückung von Wärmetauschern von Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherelement mit einem blockförmigen Wabenkörper mit vier Außenseiten und zwei im Wesentlichen parallelen Stirnseiten und mit einem Dichtrand ausgebildet wird. Der Wabenkörper ist aus einem Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Strömungskanäle, die über Kanalwände voneinander getrennt sind, gefertigt. Die Strömungskanäle erstrecken sich von der einen zur anderen Stirnseite, und der Dichtrand ist im Bereich einer der Stirnseiten und im Wesentlichen parallel zu dieser Stirnseite angeordnet und erstreckt sich am Umfang des Wabenkörpers von diesem weg.

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscherelemente, insbesondere für die Bestückung von Wärmetauschern für Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken, die häufig mit einem Rotor ausgerüstet sind, der eine Vielzahl von Kammern zur Aufnahme einzelner Wärmetauscherelemente aufweist. Die Wärmetauscher in rotierender Ausführung sind häufig vom so genannten Ljungström-Typ. Bei Wärmetauschern mit stationärer Wärmespeichermasse (Stator) kommt häufig die Ausführung nach dem so genannten Rotemühle-Prinzip zum Einsatz. Auch hier sind die Wärmetauscherelemente einzeln in Kammern eingesetzt.
Die Wärmetauscherelemente weisen einen Wabenkörper aus einem Kunststoffmaterial auf, der vorzugsweise an die Geometrie der Kammern angepasst ist. Der Wabenkörper weist eine Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen auf, die über Kanalwände voneinander getrennt sind und sich von einer Stirnseite des Wabenkörpers zu der gegenüberliegenden Stirnseite erstrecken.
Wärmetauscherelemente der eingangs genannten Art für den Einsatz in Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 195 12 351 C1 bekannt. Die dort offenbarten Wärmetauscherelemente werden aus einem Polytetrafluorethylen-Regenerat allein oder in Abmischung mit einem anderen Kunststoff hergestellt und beinhalten gegebenenfalls Füllstoffe.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente sind insbesondere für den Einsatz in so genannten Ljungström-Wärmetauschern und Wärmetauschern nach dem Rotemühle-Prinzip vorgesehen. Bei deren Einsatz in Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) werden Rein- und Rohgasströme räumlich getrennt gegenläufig durch den Wärmetauscher/Rotor geleitet, der mit den Wärmetauscherelementen bestückt ist. In dem Bereich, in dem Roh- oder Rauchgas durch den Wärmetauscher (Rotor/Stator) strömt, werden die Wärmetauscherelemente aufgeheizt, das Roh- oder Rauchgas kühlt dabei ab. In dem Bereich, in dem Reingas in umgekehrter Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher (Rotor/Stator) strömt, geben die Wärmetauscherelemente Energie an das Reingas ab, dessen Temperatur dabei ansteigt, die Wärmetauscherelemente kühlen dabei wieder ab.
Bei der Abkühlung der Roh- oder Rauchgase können diese eine Temperatur unter dem sogenannten Taupunkt (T_D) erreichen, unter dem der in dem Roh- oder Rauchgas enthaltene Wasserdampf kondensiert und sich zusammen mit Anteilen an SO₃, HF und HCl auf den Oberflächen der Wärmetauscherelemente als hochkorrosive Mischung niederschlägt. Die Lage innerhalb eines Wärmetauschers, aus der die abgekühlten Roh- oder Rauchgase austreten, in der gegebenenfalls der Taupunkt T_D unterschritten werden kann, bezeichnet man als Kaltendlage. Die Kaltendlage kann je nach Zufuhr des Rauchgases von der Oberseite oder Bodenseite des Rotors im unteren Bereich des Rotors (untere Kaltendlage) bzw. im oberen Bereich des Rotors (obere Kaltendlage) gegeben sein.
Von den in diesen Bereichen des Wärmetauschers eingesetzten Wärmetauscherelementen wird deshalb neben der Temperaturbeständigkeit auch eine sehr hohe Korrosionsfestigkeit gefordert. Da die hochkorrosiven Niederschläge, typischerweise mit Ascherückständen vermischt, regelmäßig von den Wärmetauscherelementen entfernt werden müssen, ist eine einfache Handhabung und effiziente Möglichkeit zur Abreinigung der Wärmetauscherelemente ebenfalls von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Dies gelingt mit den aus Kunststoff gefertigten Wärmetauscherelementen zufriedenstellend.
Als problematisch erweist sich jedoch bei langen Betriebszeiten, dass der typischerweise aus hoch korrosionsfestem Stahl gefertigte Wärmetauscher/Rotor in den Kaltendlagen, die mit den Wärmetauscherelementen bestückt sind, bei den gegebenen Bedingungen mit den korrosiven Niederschlägen lange in Kontakt bleibt und bei den wechselnden Temperaturbedingungen zur Korrosion neigt, was während der langen Lebensdauer der Wärmetauscher regelmäßig den Austausch von Wärmetauscherteilen, insbesondere der Kammerwände, erfordert. Schon allein der dabei notwendige Stillstand der Wärmetauscher verursacht erhebliche wirtschaftliche Kosten, dazu kommen noch die Kosten für die eigentliche Reparatur des Wärmetauschers.
Im Stand der Technik wurde schon versucht, diesem Problem mit einer Emaille- Beschichtung der Wärmetauscherteile entgegenzuwirken. Dies hat sich jedoch in einer Vielzahl von Fällen als nicht ausreichend erwiesen.
In der WO 2013/127594 A1 wurden Wärmetauscher-Rotoren vorgeschlagen, bei denen auf Kohle- und Graphitwerkstoffe zurückgegriffen wurde. Diese Lösung ist jedoch vergleichsweise teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmetauscherelement vorzuschlagen, mit dem sich zumindest die Korrosionsneigung der Wärmetauscher (Rotoren/Statoren) und insbesondere von deren Kammerwänden vermindern und damit die Intervalle zwischen den einzelnen Reparaturen und gegebenenfalls sogar die Lebensdauer der Wärmetauscher (Rotoren/Statoren) insgesamt verlängern lassen, so dass diese im Betrieb erheblich wirtschaftlicher sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmetauscherelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente sind mit einem Dichtrand ausgerüstet, welcher im Bereich einer Stirnseite des Wabenkörpers und im Wesentlichen parallel hierzu angeordnet ist. Der Dichtrand erstreckt sich rings um den Wabenkörper entlang von dessen Außenseiten.
Der Abstand zwischen den Wänden einer Wärmetauscher(Rotor/Stator)kammer und dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherelement bzw. dessen Wabenblock lässt sich so im Bereich mindestens einer der Stirnseiten minimieren bzw. vollständig eliminieren.
Aufgrund bereits eines einzigen Dichtrandes ist es überraschenderweise möglich, den Strömungsverlauf des Rohgases durch den Wärmetauscher auf die Bereiche der Wärmetauscherelemente so zu konzentrieren, dass die Wände der Kammern der Wärmetauscher, in denen die Wärmetauscherelemente platziert sind, weitgehend von den korrosiv wirkenden Komponenten des Rohgases abgeschirmt sind und deren Niederschlag dort in großem Umfang reduziert, wenn nicht gar im Wesentlichen vermieden wird.
Die Wärmetauscherelemente der vorliegenden Erfindung bieten nicht nur einen hervorragenden Korrosionsschutz, sondern weisen auch sehr gute Wärmetransporteigenschaften auf.
Überraschenderweise hat sich ferner herausgestellt, dass ein dichtendes Anliegen des Dichtrandes an den Oberflächen der Wärmetauscherkammern nicht erforderlich ist, um schon in großem Umfang die Korrosionsneigung zurückzudrängen. Der Dichtrand kann beispielsweise so dimensioniert werden, dass vom Dichtrand zur Kammerwand ein gewisses Spiel von ca. 5 mm oder weniger, bevorzugt ca. 2 mm oder weniger, verbleibt. Der Wabenblock kann zur Wärmetauscherwand einen erheblich größeren Abstand einhalten, beispielsweise ca. 10 mm.
Im Folgenden wird häufig auf den Rotor als Wärmetauscher Bezug genommen, jedoch gelten diese Ausführungen generell auch für Wärmetauscher mit stationärer, nicht rotierender Wärmespeichermasse, auch Stator genannt, mit Kammern zur Aufnahme von Wärmetauscherelementen, auch wenn darauf im Einzelfall nicht hingewiesen wird.
Der Dichtrand der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente wird benachbart zu der Stirnseite des Wärmetauscherelements angeordnet, die der Oberseite des Rotors/Stators (obere Kaltendlage) oder der Bodenseite des Rotors/Stator (untere Kaltendlage) benachbart ist. Erfindungsgemäß können Dichtränder auch an beiden Stirnseiten des Wärmetauscherelements vorgesehen werden.
Überraschenderweise hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass eine Anordnung eines einzigen Dichtrandes auf der jeweiligen Abstromseite des Wärmetauscherelements seine Aufgabe bestens erfüllt.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements wird der Dichtrand einstückig mit dem Wabenkörper ausgebildet.
Gemäß einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements wird der Dichtrand als separates Bauteil ausgebildet, welches gegebenenfalls mit dem Wabenkörper form-, kraft- oder stoffschlüssig verbunden wird. Des Weiteren lässt sich der Dichtrand an dem Wabenkörper über Befestigungselemente halten.
Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement kann einen Dichtrand aufweisen, welcher eine offene Wabenstruktur umfasst, wobei dann der Dichtrand bevorzugt einstückig mit dem Wabenkörper gefertigt ist. Vorzugsweise wird die Wabenstruktur zumindest partiell mit einem Flächenmaterial, insbesondere einer Folie, im Wesentlichen gasundurchlässig abgedeckt. Alternativ könnte die offene Wabenstruktur durch Verpressen oder durch Verfüllen geschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement kann auch einen Dichtrand mit einer kompakten, im Wesentlichen gasundurchlässigen Struktur aufweisen.
Der Dichtrand der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente wird bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, welches insbesondere ausgewählt ist aus dem Kunststoffmaterial des Wabenkörpers und Perfluoralkoxypolymermaterial (PFA).
Werden die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in dem Wärmetauscher (Rotor) in der so genannten oberen Kaltendlage eingebaut, wird der Dichtrand bevorzugt so dimensioniert, dass er auf zumindest zwei einander gegenüberliegenden, radial verlaufenden Seitenwänden einer Wärmetauscherkammer aufliegt. Damit kann erreicht werden, dass auch die Stirnseiten dieser Seitenwände geschützt sind.
Bevorzugt wird der Dichtrand an zwei gegenüber liegenden Seiten des Wabenkörpers so dimensioniert, dass der Dichtrand an einen Dichtrand eines sich in Umfangsrichtung des Rotors anschließenden Wärmetauscherelements direkt angrenzt, weiter bevorzugt mit diesem überlappt.
Im letzteren Fall wird der Dichtrand der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bevorzugt im Bereich einer ersten Außenseite des Wabenkörpers mit einem parallel zur Außenseite verlaufenden Rücksprung auf seiner Oberseite und im Bereich einer der ersten Außenseite gegenüber liegenden zweiten Außenseite mit einem komplementären Rücksprung auf seiner Unterseite ausgebildet, der sich parallel zur zweiten Außenseite des Wabenkörpers erstreckt.
Zusätzlich können im Bereich der Rücksprünge der Ober- und Unterseiten des Dichtrandes Formschlusselemente ausgebildet werden, welche eine in Umfangsrichtung des Rotors gesicherte Positionierung der Wärmetauscherelemente im Rotor ermöglichen.
Im Fall der Wärmetauscherelemente mit an zwei gegenüber liegenden Außenseiten komplementär ausgebildeter Geometrie stabilisieren sich die Wärmetauscherelemente in ihrer im Wärmetauscher gegebenen Einbauposition gegenseitig, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmetauschers auf eine Vielzahl von Trennwänden, die sonst jeweils einzelne Aufnahmekammern für die Wärmeelemente bilden, in der Kaltendlage verzichtet werden kann. Dies gilt insbesondere beim Einbau der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in einer oberen Kaltendlage.
Dies führt nicht nur zu einer erheblichen Verminderung des Korrosionsrisikos, sondern ergibt zusätzlich auch noch eine Gewichtsreduzierung seitens des Wärmetauschers sowie eine Materialersparnis bei dessen Herstellung.
Der Dichtrand kann erfindungsgemäß als Träger für den Wabenkörper ausgebildet werden.
Hierzu reicht es aus, wenn der Dichtrand als Träger des Wabenkörpers an zwei gegenüber liegenden Außenseiten des Wabenkörpers mit Auflageflächen ausgebildet ist, die der Abstützung an oder auf einer Wandung, beispielsweise der Wandung einer Aufnahmekammer, des Rotors/Stators des Wärmetauschers dienen.
Bevorzugt werden die Auflageflächen an solchen Außenseiten des Wabenblocks positioniert, welche sich im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung des Wärmetauschers erstrecken.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente können auch mit einer Halterung ausgerüstet sein, in welcher der Wabenkörper aufgenommen ist. Die Halterung kann dabei so dimensioniert werden, dass gegebenenfalls weitere Wärmetauscherelemente mit aufgenommen werden können.
Bei der Auswahl des Kunststoffmaterials ist es bevorzugt, dass dieses einen Kunststoff umfasst, der virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält. Hier gelingt es überraschenderweise, Wabenkörper nicht nur unter deutlich weniger anspruchsvollen Herstellungsbedingungen herzustellen als die in der DE 195 12 351 C1 beschriebenen Wabenköper, sondern die Wabenkörper der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente weisen darüber hinaus auch mechanische Festigkeitswerte, insbesondere für die Reißfestigkeit und die Reißdehnung, auf, die erheblich über denen herkömmlich gefertigter Wabenkörpern liegen.
Vorzugsweise kommt als Kunststoff ein virginales PTFE mit einer Schmelzenthalpie von ca. 40 J/g oder mehr zum Einsatz.
Die Dichte von bevorzugten PTFE-Materialien beträgt ca. 2,1 g/cm³ oder mehr.
Das erfindungsgemäß einzusetzende virginale PTFE kann einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweisen. Virginale PTFE-Materialien mit einem solchen Co-Monomeranteil sind typischerweise ohne Zusatz von Fremdmaterial (z.B. PFA) schweißbar. Typische Co-Monomere sind Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylether, Perfluor-(2,2-dimethyl-1,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer mit einer mittleren Primärpartikelgröße D₅₀ von ca. 10 µm bis ca. 200 µm, bevorzugt ca. 10 µm bis ca. 100 µm, eingesetzt. Mit diesen Partikelgrößen lassen sich bei der Herstellung der Wabenblöcke insbesondere

– gute Oberflächeneigenschaften, insbesondere geringe Rautiefen und eine leichte Abreinigbarkeit,
– homogene Verteilungen der optional mitzuverarbeitenden Füllstoffe,
– gute mechanische Eigenschaften, insbesondere hohe Reißfestigkeit und Reißdehnung, und
– selbst bei der Anwendung von niedrigen bis mittleren Pressdrücken gute mechanische Eigenschaften

Gesintertes PTFE, und hierzu ist auch PTFE-Regenerat zu zählen, lässt sich aufgrund der geringeren Kristallinität gegenüber virginalen PTFE lediglich mit Partikelgrößen von ca. 400 µm oder größer erhalten.
Vorstehend wird auf die Primärpartikelgröße Bezug genommen, da auch Partikelagglomerate von virginalem PTFE mit erheblich größeren Teilchengrößen verarbeitbar sind, vorausgesetzt die Partikelagglomerate zerfallen bei den Verarbeitungsbedingungen in ihre Primärpartikel. Beispielsweise lassen sich Partikelagglomerate mit Partikelgrößen von 100 µm bis 3000 µm einsetzen, wenn diese bei ca. 150 bar oder weniger in die Primärpartikel zerfallen.
Geeignete Füllstoffe beinhalten sowohl nichtmetallische als auch metallische Füllstoffe, die auch in einer Mischung eingesetzt werden können. Als Füllstoffe kommen nicht nur partikuläre Füllstoffe, sondern auch faserförmige Füllstoffe in Frage. Mit den Füllstoffen lassen sich insbesondere sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Wärmekapazität der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffma- terialien und gegebenenfalls auch die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente optimieren.
Bevorzugt enthält das Kunststoffmaterial einen nichtmetallischen Füllstoff und/ oder einen metallischen Füllstoff, wobei die mittlere Partikelgröße D₅₀ des jeweiligen Füllstoffes vorzugsweise ca. 100 µm oder weniger beträgt.
Im Hinblick auf die bevorzugte Auswahl der Primärpartikelgröße der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffe wird die Partikelgröße der Füllstoffe im Hinblick auf die anzustrebende gleichmäßige Verteilung im Kunststoffmaterial ca. 2 µm bis ca. 300 µm, bevorzugt ca. 2 µm bis ca. 150 µm, betragen.
Das Verhältnis der mittleren Partikelgröße D₅₀ der Primärpartikel des Kunststoffs oder der Kunststoffe zu der mittleren Partikelgröße D₅₀ der Füllstoffe liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 1:2 bis ca. 2:1.
Bevorzugt ist der nichtmetallische Füllstoff mit einem Anteil von bis zu ca. 35 Gew.-% in dem Kunststoffmaterial enthalten. Von dem metallischen Füllstoff können aufgrund seiner höheren Dichte Anteile von bis zu ca. 60 Gew.-% in dem Kunststoffmaterial enthalten sein.
Der gesamte Volumenanteil der Füllstoffe in dem Kunststoffmaterial sollte bevorzugt ca. 50 Vol-% oder weniger betragen, weiter bevorzugt ca. 40 Vol-% oder weniger.
Bevorzugt weist das zu dem Wabenkörper verarbeitete Kunststoffmaterial eine Reißfestigkeit von ca. 10 N/mm² oder mehr auf, gemessen nach ISO 12086-2 mit einem streifenförmigen Prüfkörper mit einem Querschnitt von 1 × 5 mm². Die Reißfestigkeit des Kunststoffmaterials des Wabenkörpers beträgt bei diesen streifenförmigen Probekörpern bevorzugt 15 N/mm² oder mehr, weiter bevorzugt ca. 20 N/mm² oder mehr, noch weiter bevorzugt ca. 25 N/mm² oder mehr. Typischerweise wird die Reißfestigkeit ca. 35 N/mm² oder weniger betragen. Innerhalb des vorstehend definierten Bereichs an Reißfestigkeiten werden mit Kunststoffmaterialien ohne Füllstoffe die höheren Werte und bei Kunststoffmaterialien mit Füllstoffen eher die niedrigeren Werte erzielt.
Bevorzugt beträgt die Reißdehnung des zu dem Wabenkörper verarbeiteten Kunststoffmaterials, gemessen nach ISO 12086-2 an einem streifenförmigen Probekörper mit einem Querschnitt von 1 × 5 mm², ca. 80 % oder mehr, insbesondere ca. 100 % oder mehr, weiter bevorzugt ca. 150 % oder mehr, am meisten bevorzugt ca. 200 % oder mehr.
Erfindungsgemäß sind Wabenkörper mit sehr gut abreinigbaren Oberflächen erhältlich, wobei hierzu der Mittenrauwert Ra der Oberflächen des Wabenkörpers, gemessen nach DIN EN ISO 1302 in Längsrichtung der Wabenkörperkanäle, ca. 10 µm oder weniger, bevorzugt ca. 5 µm oder weniger, beträgt.
Vorzugsweise beträgt im Hinblick auf die Reinigbarkeit die Rautiefe Rz der Oberflächen des Wabenkörpers, gemessen nach DIN EN ISO 1302 in Längsrichtung der Strömungskanäle des Wabenkörpers, ca. 50 µm oder weniger, insbesondere ca. 40 µm oder weniger, bevorzugt ca. 30 µm oder weniger, am meisten bevorzugt ca. 20 µm oder weniger.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bzw. deren Wabenkörper weisen bevorzugt ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m·K) oder mehr auf.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente bzw. deren Wabenkörper weisen bevorzugt ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmekapazität von ca. 0,9 J/(g·K) oder mehr auf.
Die vorstehend empfohlenen Werte für die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität begünstigen einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauscherelementen und dem durchströmenden Rauchgas sowie die Speicherfähigkeit des Wärmetauscherelements.
Gemäß einer bevorzugten Geometrie weisen die Strömungskanäle des Wabenkörpers einen polygonalen, insbesondere einen quadratischen oder hexagonalen, Querschnitt auf.
Die Kanalwände der Strömungskanäle des Wabenkörpers weisen bevorzugt eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2 mm auf.
Die offene Querschnittsfläche der Strömungskanäle eines Wabenkörpers summiert sich vorzugsweise auf ca. 75 % oder mehr der Grundfläche des Wabenkörpers.
Die Wärmetauscherelemente, die der Bestückung der Aufnahmekammern eines Rotors dienen, werden typischerweise in mehreren unterschiedlichen Abmessungen ihrer Grundflächen benötigt. Dies lässt sich einfach dadurch realisieren, dass zunächst Wabenblöcke mit einer geringeren Grundfläche standardmäßig gefertigt und dann zu den größeren Wabenkörpern zusammengefügt werden.
Die Strömungskanalgeometrie kann beispielsweise einen hexagonalen Querschnitt aufweisen mit einer Kantenlänge von ca. 7,2 mm oder mehr.
Die Verbindung der Wabenblöcke zu einem als Ganzes handhabbaren Wabenkörper eines Wärmetauscherelements kann mechanisch, beispielsweise mittels eines Form- oder Kraftschlusses, erfolgen, oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen.
Das Wärmetauscherelement und dessen Wabenkörper können auch in diesem Fall in ihrer Geometrie den Erfordernissen durch Zuschneiden oder Zusägen angepasst und insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle keilförmig ausgebildet werden.
Die bei einem Zuschnitt der Wabenblöcke oder Wabenkörper abgetrennten Teile der Wabenstrukturen lassen sich zur Herstellung weiterer Wärmetauscherelemente ohne Weiteres mit einem Wabenblock in der oben schon beschriebenen Weise verbinden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus Wärmetauscher für Rauchgasreinigungsanlagen, welche eine Vielzahl an Wärmetauscherelementen der vorliegenden Erfindung beinhalten.
Bevorzugt weisen die Wärmetauscher einen ringförmigen Aufnahmeraum oder mehrere in Umfangsrichtung aufeinander folgende Ringsegment-artige Aufnahmeräume auf, in denen mehrere der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente aufgenommen sind, wobei die Wärmetauscherelemente in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind.
Bei dieser besonderen Gestaltung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann eine Vielzahl von ansonsten notwendigen Wänden zur Bildung von Aufnahmekammern für die einzelnen Wärmetauscherelemente im Bereich der Kaltendlage des Wärmetauschers entfallen, wodurch nicht nur in großem Umfang Korrosionsprobleme vermieden werden können, sondern darüber hinaus bei der Fertigung des Wärmetauschers eine Materialersparnis realisiert werden kann und darüber hinaus der Wärmetauscher mit einem erheblich verringerten Gewicht gefertigt werden kann. Dies gilt prinzipiell für die obere und die untere Kaltendlage, wobei allerdings die Umsetzung in der oberen Kaltendlage in einfacher Weise in größerem Umfang realisierbar ist.
Aufgrund der in Umfangsrichtung gegebenen formschlüssigen Verbindung der Wärmetauscherelemente miteinander ist regelmäßig eine ausreichend sichere und genaue Positionierung der Wärmetauscherelemente in dem Wärmetauscher gegeben. Dies gilt insbesondere aufgrund der gegebenen ringförmigen Struktur des Aufnahmeraums und der daraus folgenden, im Wesentlichen trapezförmigen Grundfläche der Wärmetauscherelemente auch für die Positionierung in Radialrichtung.
Bei den Wärmetauscherelementen, die im Rahmen dieser erfindungsgemäßen Wärmetauscher eingesetzt werden, wird vorzugsweise benachbart zu beiden Stirnseiten ein Dichtrand vorgesehen, wobei eine Struktur des Dichtrandes zur formschlüssigen Verbindung des einen Wärmetauscherelements mit einem benachbarten Wärmetauscherelement nur bei einem der Dichtränder, der der oberen bzw. der unteren Stirnfläche des Wärmetauscherelements zugeordnet ist, notwendig ist.
Insbesondere ist dann bevorzugt, dass einer der Dichtränder an den Wabenkörper angeformt ist, während der zweite Dichtrand als separates Teil gefertigt ist.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Zeichnung nachfolgend noch näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
1A eine schematische Darstellung eines Kohle-Kraftwerks mit einer Rauchgasreinigungsanlage;
1B eine Variante der Rauchgasreinigungsanlage der 1A;
2A bis 2C schematische Darstellungen von drei Varianten eines Rotors zur Aufnahme erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente;
3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2A;
4A bis 4D eine schematische Darstellung von zwei miteinander formschlüssig zu verbindenden erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementen;
5A bis 5C schematische Darstellungen weiterer Varianten eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements;
6A und 6B weitere Varianten erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente, die in einer Halterung positioniert zum Einsatz kommen;
7A eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements beim Einsetzen in eine Rotorkammer; und
7B eine Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements adaptiert an einen modifizierten Rotor.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines Kohlekraftwerks 10 mit einem Brenner 12 und einer Rauchgasreinigungsanlage 14. Der Brenner 12 umfasst einen Kessel 16 mit einem Brennraum 18, dem über eine Brennstoff-Versorgungsleitung 20 Kohle in gemahlener Form und über eine Zuleitung 22 Verbrennungsluft zugeführt werden. Oberhalb des Brennraums 18 ist in dem Kessel 16 ein Dampferzeuger 24 angeordnet, in dem zum Betrieb einer Dampfturbine 26 Wasserdampf erzeugt wird. Die Dampfturbine 26 treibt einen nicht dargestellten Stromgenerator an. Das bei der Verbrennung der Kohle im Brennraum 18 entstehende Rauchgas wird über eine Rauchgasleitung 28 aus dem Kessel 16 abgeführt.
Die Verbrennungsluft wird über die Zuleitung 22 vor dem Einspeisen in den Brennraum 18 des Kessels 16 über einen Wärmetauscher 30 geleitet und dort von dem über die Rauchgasleitung 28 eingespeisten Rauchgas aufgewärmt. Der Wärmetauscher weist einen Zuluftbereich 32 und einen Rauchgasbereich 34 auf. In dem Wärmetauscher 30 sind in vertikaler Richtung gesehen mehrere Temperaturzonen vorhanden, wobei die Zone, bei der die Temperatur des Rauchgases niedriger ist, besonders korrosionsgefährdet ist. Diese Zone wird auch Kaltendlage genannt. Aufgrund der Durchströmung des Wärmetauschers 30 mit dem Rauchgas von oben nach unten befindet sich die Kaltendlage unten.
In dem Wärmetauscher 30 ist ein Rotor 36 mit einem Wärmespeicher- und -über tragungsmedium bestückt vorhanden, das beim Durchfahren des Rauchgasbereichs 34 Wärme von dem dort durchgeleiteten Rauchgas aufnimmt und beim Passieren des gegenüber liegenden Zuluftbereichs 32 die Wärme an die dort hindurch strömende Verbrennungsluft abgibt. Die Temperatur des Rauchgases sinkt beim Durchgang durch den Wärmetauscher 30 beispielsweise von ca. 250 °C auf ca. 160 °C, während sich die Temperatur der Zuluft von Umgebungstemperatur auf beispielsweise ca. 150 °C erhöht. Der Durchmesser des Rotors 36 liegt je nach benötigter Wärmetauscherkapazität häufig im Bereich von 5 m bis 25 m. Das Gewicht eines mit einem Wärmespeicher- und -übertragungsmedium voll bestückten Rotors kann je nach Größe 1000 Tonnen und mehr betragen, insbesondere wenn ausschließlich ein herkömmliches, auf emaillierten Stahlblechen basierendes Medium zum Einsatz kommt.
Das abgekühlte Rauchgas wird zur Entstaubung durch die Leitung 29 einem elektrostatischen Partikelabscheider, im Folgenden kurz ESP-Einheit 44 genannt, zugeführt.
Nach der ESP-Einheit 44 wird das aufbereitete (großenteils entstaubte) Rauchgas über eine Leitung 48 einem regenerativen Wärmetauscher 50, auch kurz REGAVO genannt, zugeführt, in dem das aufbereitete Rauchgas beispielsweise von ca. 160 °C auf eine Temperatur von ca. 90 °C oder niedriger weiter abgekühlt wird.
Der Wärmetauscher 50 enthält einen mit einem Wärmespeicher- und -übertragungsmedium bestückten Rotor 52, der die von dem entstaubten Rauchgas abgegebene Wärme aufnimmt, das hierfür durch einen ersten Bereich 54 des Wärmetauschers 50 bzw. durch den Rotor 52 von unten nach oben hindurch geleitet und danach über die Leitung 62 einer Rauchgasentschwefelungsanlage 64 zugeführt wird.
Die Temperatur des entstaubten Rauchgases sinkt beim Durchgang durch den ersten Bereich 54 des Wärmetauschers 50 von beispielsweise ca. 150 ºC auf ca. 85 °C bis ca. 90 ºC. Bei diesem Wärmetauscher 50 befindet sich die so genannte Kaltendlage 58 oben.
Das aus der Rauchgasentschwefelungsanlage 64 kommende entschwefelte Rauchgas weist immer noch eine Temperatur im Bereich von beispielsweise ca. 40 °C bis ca. 50 °C. Durch die Drehbewegung des Rotors 52 (oder auch einer so genannten Haubenzuführung im Falle der Realisierung mit einem Stator anstelle eines Rotors 52) wird das durch das Rohgas erhitzte Wärmespeicher- und -übertragungsmedium (u.a. erfindungsgemäße Wärmespeicherelemente) mit dem kühleren Gasstrom des entschwefelten Rauchgases (Reingas) in Kontakt gebracht. Dabei wird das Reingas über die Leitung 66 in den Bereich 56 des Wärmetauschers 50 im Gegenstrom geleitet und dabei auf ca. 90 °C bis ca. 100 °C erwärmt.
Vom Wärmetauscher 50 führt eine Leitung 68 das entschwefelte, wieder erwärmte Rauchgas zum Schornstein 70. Durch die erneute Erwärmung auf ca. 90 °C bis ca. 100 °C weist das Rauchgas einen genügend großen Auftrieb auf, um aus dem Schornstein in die Atmosphäre zu gelangen.
Für die Zulufterwärmung und in Rauchgasentschwefelungsanlagen in dem gezeigten und in einer Vielzahl von anderen Konzepten werden als Wärmetauscher so genannte Ljungström-Gasvorwärmer verwendet, die mit einem Rotor 36 bzw. 52 bestückt sind, die den Wärmetransport vom Rauchgasbereich zum Zuluftbereich bzw. vom ersten in den zweiten Bereich des jeweiligen Wärmetauschers 30 bzw. 50 übernehmen.
Das zuvor geschilderte Prinzip gilt nicht nur für die REGAVO-Anlagen sondern auch für sogenannte APH-Anlagen (air preheater) und sogenannte SCR(selective catalytic reduction)- und SNCR(selective non-catalytic reduction)-Verfahren.
Die 1B zeigt eine Variante der Rauchgasentschwefelungsanlage 14, bei der die von dem Wärmetauscher 50 kommende Leitung 68 zu einem Wärmetauscher 72 führt, an den sich über eine Leitung 74 eine so genannte SCR-Einheit 76 anschließt, welche vorzugsweise noch einen Abschnitt 78 mit einer Rauchgasentstickungsfunktion (DeNOx) beinhaltet. Durch die Leitung 68 wird das entschwefelte Rauchgas, das noch NOx-Anteile enthält, zur Vorheizung durch den Wärmetauscher 72 geleitet. Damit das NOx-haltige entschwefelte Rauchgas die bei dem folgenden SCR-Prozess benötigte Temperatur von ca. 150 °C bis ca. 190 °C erreicht, weist der Wärmetauscher 72 typischerweise eine größere Bauhöhe auf. Die in dem Wärmetauscher 72 eingesetzten Wärmespeicherelemente müssen dabei eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, da überschüssiger Ammoniak mit vorhandenem Schwefeltrioxid und Wasser reagiert und Ammoniumbisulfat bildet. Zusammen mit in dem Rauchgas noch enthaltener Flugasche bildet das Ammoniumbisulfat einen klebrigen Niederschlag, der sich auf allen Rotor-/Statorteilen ablagert und regelmäßig ausgewaschen werden muss.
Der Wärmetauscher 72 beinhaltet einen Rotor 84, in dessen Kaltendlage 86 wiederum erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente angeordnet sind.
Einen Wärmetauscher zeigt 2A schematisch in Form des scheibenförmigen Rotors 100, dessen Durchmesser 20 m und mehr betragen kann. Das Volumen des scheibenförmigen Rotors 100 ist von einer zylindrischen Außenwand 102 begrenzt und in eine Vielzahl von Kammern 104, 105, 106, 107, 108, 109 mit im Wesentlichen trapezförmigem Grundriss unterteilt. Die Unterteilung erfolgt einerseits mittels mehrerer radial verlaufender Trennwände 110, 112 und andererseits mittels konzentrisch zur Außenwand ausgebildeter Zylinderwände 114, 115, 116, 117, 118 und der Innenwand 119.
Die Kammern 104, 105, 106, 107, 108, 109 lassen sich mit austauschbaren, in der Größe angepassten erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementen 130 bestücken, die in diesem Ausführungsbeispiel in einer oberen Kaltendlage angeordnet sind. Solche Wärmetauscherelemente 130 weisen einen Wabenkörper 132 auf, der mit einer Vielzahl von Strömungskanälen 152 durchsetzt ist, die parallel zur Axialrichtung des Rotors 100 verlaufen, wie dies noch näher anhand der 3 erläutert werden wird.
Im vorn gezeigten Bereich des Rotors 100 sind Kammern 104 in partiell aufgebrochener Darstellung gezeigt, wobei am unteren Ende der Kammerwandungen 110 in einer Variante Stützleisten 103 vorhanden sind, auf denen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente in unterer Kaltendlage aufgesetzt werden können. In einer weiteren Alternative können die Wärmetauscherelemente auch mit blockförmigen Halteelementen 169 in der unteren Kaltendlage gehalten sein.
In einer weiteren Variante können die Wärmetauscherelemente in speziellen Halterungen zusammen mit einem anderen Typ Wärmetauscherelement aufgenommen sein und über die Stützleisten 103 bzw. die blockförmigen Halteelemente 169 in der Kammer fixiert werden, wie dies im Folgenden anhand der 6A, 6B und 7 noch näher erläutert werden wird.
Die 2B zeigt einen Rotor 100', der in seinem unteren Bereich (Warmendlage), der sich beispielsweise über ca. zwei Drittel der Höhe des Rotors 100' erstreckt, in Aufnahmekammern 104', 105', 106', 107', 108', 109' unterteilt ist, über radial und in Umfangsrichtung verlaufende Trennwände 110', 112' sowie von konzentrisch zur Außenwand 102' ausgebildete Zylinderwände 114', 115', 116', 117', 118' und die Innenwand 119'.
Das obere Drittel des Volumens des Rotors 100' (obere Kaltendlage) wird zum Einen über die Außenwand 102' sowie die zylindrische Innenwand 119' begrenzt. Dieser ringförmige Raum wird lediglich durch vier radial verlaufende Wände 122', 123', 124', 125' mit derselben Höhe wie die Innenwand 119' und die Außenwand 102' in vier Ringsegmente unterteilt. In diesen Ringsegmenten wird jeweils eine Vielzahl erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente aufgenommen, wie sie im Folgenden noch beschrieben werden, die vorzugsweise über Formschlusselemente an ihren in Umfangsrichtung aneinander grenzenden Dichträndern miteinander verbunden sind.
Diese Variante des Rotors 100' bedeutet einen erheblich geringeren Materialeinsatz bei der Fertigung des Rotors bzw. von dessen Aufnahmekammern, so dass der Rotor selbst schon ein geringeres Gewicht aufweist.
Darüber hinaus entfällt eine Vielzahl von Trennwänden im Kaltendlage-Bereich des Rotors 100', so dass auch die dort in größerem Umfang auftretenden Korrosionserscheinungen vermieden werden können.
Eine weitere Variante eines Rotors 100'' ist in 2C gezeigt, der ähnlich wie der Rotor 100' in der 2B aufgebaut ist, bei dem das mit Wärmetauscherelementen zu füllende Rotorvolumen zum Einen von der Außenwand 102'' und der zylindrischen Innenwand 119'' begrenzt wird. In den unteren zwei Dritteln des Volumens des Rotors 100'' ist die Aufteilung des Rotorvolumens in Aufnahmekammern wie aus den 2A und 2B ersichtlich beibehalten, wobei wiederum die in Umfangsrichtung bzw. radial verlaufenden Trennwände 114'', 115'', 116'', 117'', 118'', 110'', 112'' zum Einsatz kommen. Die dadurch gebildeten Aufnahmekammern 104'', 105'', 106'', 107'', 108'' und 109'' nehmen Wärmetau- scherelemente für den Warmendlagebereich auf, wie bereits im Zusammenhang mit der 2A und der 2B beschrieben.
Oberhalb dieser Aufnahmekammern 104'', 105'', 106'', 107'', 108'' und 109'' befinden sich wieder in großem Umfang Trennwand-freie ringförmige Bereiche, die lediglich durch radiale Trennwände 122'', 123'', 124'' und 125'' in vier Ringsegmente unterteilt sind, analog wie dies im Zusammenhang mit der 2B beschrieben wurde.
Zusätzlich ist bei dem Rotor 100'' der 2C die zylindrische Trennwand 116'' mit gleicher Höhe wie die Außenwand 102'' und die Innenwand 119'' ausgebildet, so dass sie die zwischen den radialen Trennwänden 122'', 123'', 124'' und 125'' befindlichen Ringsegmente nochmals in Radialrichtung in zwei Bereiche aufteilt.
Die Ausgestaltung dieser kreisförmigen Trennwand 116'' dient dazu, ähnlich wie dies auch für die radialen Trennwände 122'', 123'', 124'' und 125'' gilt, insbesondere bei großen Rotor-Abmessungen die mechanische Stabilität desselben zu verbessern.
Bei sehr kleinen Rotoren kann im Prinzip auf die zusätzliche Funktion der kreis-förmigen Trennwand 116'' sowie auch auf die der radialen Trennwände 122'', 123'', 124'' und 125'' verzichtet werden, so dass ein einziger ringförmiger Raum zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in der Kaltendlage vorhanden ist.
Werden erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente, die in Umfangsrichtung einerseits formschlüssig verbindbar sind, eingesetzt, ergibt sich bei einem bevorzugt Trapez-förmigen Grundriss andererseits nach einer Bestückung des Rotors/ Stators zusätzlich eine exakte Positionierung der einzelnen Wärmetauscherelemente, die den Verzicht auf die Trennwände zur Bildung einzelner Aufnahmekammern für die einzelnen Wärmetauscherelemente ermöglicht.
Die in den Rotoren 100' und 100'' einzusetzenden Wärmetauscherelemente weisen bevorzugt im Bereich beider Stirnseiten einen Dichtrand auf, von denen der obere Dichtrand bevorzugt einstückig mit dem Wabenkörper der Wärmetauscherelemente ausgebildet ist. Der untere Dichtrand kann, wie dies im Einzelnen noch im Zusammenhang mit der Beschreibung der 7B erläutert wird, zur Abdeckung der oberen Stirnseiten der Trennwände im Bereich des Übergangs von der Warm- zur Kaltendlage dienen.
3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Rotor 100, bei dem ein Teil der Kammern 105 mit Wärmetauscherelementen 130 bestückt ist. Die Wärmetauscherelemente 130 weisen einen Wabenkörper 132 auf, der an seinen vier Außenseiten 134, 135, 136, 137 auf der Höhe seiner oberen Stirnseite 138 mit einem umlaufenden Dichtrand 140 versehen ist, der einstückig mit dem Wabenkörper 132 und in seiner Grundstruktur ebenfalls wabenförmig ausgebildet ist. Somit kann das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement 130 in Form des Wabenköpers 132 und der Grundstruktur des Dichtrands 140 einstückig aus einem entsprechend größer dimensionierten Wabenblock gefertigt werden. Bei der Anordnung der Wärmetauscherelemente 130 in einer oberen Kaltendlage wie in 3 gezeigt kann der Dichtrand 140 eine weitere Funktion übernehmen, nämlich die eines Trägers des Wärmetauscherelements 130. Für die Halterung und Positionierung der Wärmetauscherelemente 130 in der oberen Kaltendlage in dem Rotor 100 ist der an den Wabenkörper angeformte Dichtrand 140 ausreichend stabil.
Um eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen, muss die wabenförmige Grundstruktur des Dichtrands 140 noch gasundurchlässig abgedeckt werden. Dies kann sehr einfach mit einem Flächenmaterial, das auf die Grundstruktur des Dichtrandes 140 aufgebracht wird, geschehen. Eines der bevorzugten Flächenmaterialien ist eine Folie aus Kunststoffmaterial, beispielsweise PTFE. Das Flächenmaterial lässt sich bei Bedarf mit der Grundstruktur durch Kleben oder Schweißen verbinden.
Alternativ könnte die wabenförmige Grundstruktur des Dichtrandes 140 verpresst oder auch gasundurchlässig mit einem Füllmaterial verfüllt werden (nicht gezeigt).
Wie aus der 3 ersichtlich, ist der Dichtrand 140 so ausgebildet, dass er, nachdem ein Wärmetauscherelement 130 von oben in eine Rotorkammer eingesetzt worden ist, die Oberseite der die Rotorkammer umgebenden Rotorwände (hier z.B. die Rotorwände 110, 114 und 116 der Rotorkammer 105) bedeckt und diese Oberseiten ebenfalls von den Korrosivstoffen des Rauchgases abschirmt. 3 zeigt das Einsetzen eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes 130 in mehreren Phasen.
Bevorzugt wird der Dichtrand 140 an zwei gegenüber liegenden Außenseiten des Wabenkörpers 132 an der Oberseite und an der Unterseite mit jeweils einem Rücksprung 142, 144 versehen, so dass die Dichtränder 140 von zwei in Umfangsrichtung des Rotors benachbarten Wärmetauscherelementen 130 einander in einer ebenen Konfiguration überlappen können.
Überraschenderweise entfaltet der Dichtrand 140 seine Schutzwirkung für das Material der Rotorwände, obwohl er nicht auf der Anströmseite des Wärmetauscherelements 130 sondern auf der Abströmseite angeordnet ist, da aufgrund des Dichtrandes 140 der Strömungsverlauf auf die Strömungskanäle der Wabenkörper 132 beschränkt wird.
Um eine in Umfangsrichtung besonders genaue Positionierung benachbarter erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente 130 zu erzielen, wird weiter bevorzugt, wie insbesondere in den 4A bis 4D im Einzelnen ersichtlich, der Dichtrand 140 im Bereich der Rücksprünge 142, 144 mit komplementären Formschlusselementen ausgebildet. Diese können beispielsweise als nutenförmige Rücksprünge 146 bzw. leistenförmige Vorsprünge 148 realisiert werden, wie dies im Einzelnen in den 4A bis 4D gezeigt ist.
So zeigt 4A zwei Wärmetauscherelemente 130 seitlich aufeinander ausgerichtet kurz vor der Verbindung über die Dichtränder 140 an ihren Außenseiten 134 bzw. 136. Der Dichtrand 140 weist in seinem entlang der Außenseite 134 verlaufenden Abschnitt an seiner Oberseite einen Rücksprung 142 auf, während in seinem entlang der Außenseite 136 verlaufenden Abschnitt an der Unterseite ein Rücksprung 144 ausgebildet ist. Die Rücksprünge 142, 144 erstrecken sich vorzugsweise entlang dem jeweiligen gesamten Abschnitt des Dichtrands 140.
Dies wird auch in der Draufsicht der 4B und der Seitenansicht der 4C deutlich, in denen zwei Wärmetauscherelemente 130 miteinander verbunden dargestellt sind.
4D schließlich zeigt eine Einzelheit der sich überlappenden Dichtränder 140 in vergrößerter Darstellung, in der die Formschlusselemente 146 und 148 deutlich in ihrer Kooperation zu sehen sind. In dieser Figur ist auch die zwischen den Rücksprüngen 142, 144 platzierte Folie 150 als gasundurchlässiges Flächenelement klar ersichtlich. Für die gasundurchlässige Abdeckung ist es in der Regel ausreichend, nur eine Folienlage vorzusehen, die entweder beim Zusammenbau zwischen den Dichträndern 140 benachbarter Wärmetauscherelemente 130 eingelegt werden kann oder die vor dem Zusammenbau an dem Dichtrand 140 nur eines der Wärmetauscherelemente 130 (z.B. durch Kleben oder Schweißen) befestigt ist. In 4B ist dies am jeweils links im Bild gezeigten Dichtrand 140 der Fall.
Die Folie 150 wird, auch wenn sie lediglich zwischen den überlappenden Dichträndern 140 der benachbarten Wärmetauscherelemente 130 eingelegt wird, ausreichend fest allein durch das Eigengewicht der Wärmetauscherelemente 130 fixiert, die sich mit ihren Dichträndern 140 auf den Rotorwandungen 110 abstützen.
Die Wabenkörper 132 weisen eine Vielzahl paralleler Strömungskanäle 152 auf, die sich von einer Stirnseite 138 zur gegenüber liegenden Stirnseite erstrecken. Die Querschnittsfläche der Strömungskanäle 152 ist bei den gezeigten Ausführungsbeispielen hexagonal. Bei einer Strömungskanalwanddicke von 1,2 mm ergibt sich bei einem Abstand der einander gegenüber liegenden Strömungskanalwände von 14,3 mm (Ausdehnung der Kanalwände jeweils ca. 7,2 mm) ein freier Querschnitt für das Durchströmen von Gasen durch den Wabenkörper 132 von ca. 83 % bezogen auf die Grundfläche des Wabenkörpers 132. Die spezifische Oberfläche ergibt sich zu ca. 150 m²/m³.
Aus produktionstechnischen Gründen werden die Wärmetauscherelemente bzw. deren Wabenkörper häufig nicht als ein Block hergestellt, sondern es werden je nach der benötigten Größe zunächst mehrere, beispielsweise zwei oder vier, quaderförmige Wabenblöcke hergestellt und miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, und dann werden durch Zuschneiden in die benötigte Trapez- oder Keilform die Wärmetauscherelemente 130 hergestellt.
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 130' zeigen die 5A bis 5C.
Bei dieser Ausführungsform sind der Wabenkörper 132' und der Dichtrand 140' jeweils als separate Bauteile gefertigt, die vor oder auch bei der Montage der Wärmetauscherelemente 130' in der Aufnahmekammer des Rotors zusammengefügt werden können. Der separat hergestellte Dichtrand 140' wird, wie in den 5A bis 5C gezeigt, typischerweise mit einer kompakten, gasundurchlässigen Struktur gefertigt.
Die Ausführungsbeispiele der 5A bis 5C zeigen ein Wärmetauscherelement 130', das wiederum für eine obere Kaltendlage konzipiert ist. Der Wabenkörper 132' weist zur Aufnahme des Dichtrands 140' in formschlüssiger Weise einen an den Außenseiten 134', 135', 136' und 137' umlaufenden Rücksprung 160 ausgehend von der oberen Stirnseite 138' auf.
5A zeigt die beiden separat gefertigten Bauteile, d.h. den Wabenkörper 132' und den Dichtrand 140' vor dem Zusammenbau, während die beiden Bauteile in 5B im zusammengesetzten Zustand gezeigt sind.
Um eine Funktion als Träger zu erfüllen, sollte der Dichtrand 140' bevorzugt zusätzlich zu der formschlüssigen Verbindung noch stoffschlüssig mit dem Wabenkörper 132' verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Alternativ zu der stoffschlüssigen Verbindung kann auch eine Fixierung unter Verwendung von Befestigungsmitteln geschehen, wie an einem Beispiel in 5C gezeigt. Dort sorgen vier Haltebolzen 162, die beispielsweise in einem Strömungskanal 158' verklebt oder verschraubt sein können, für einen sicheren Halt der Dichtränder 140', so dass diese auch eine Funktion als Träger für das Wärmetauscherelement 130' übernehmen können.
Die Ausgestaltung des Dichtrands an zwei gegenüber liegenden Abschnitten bzw. Außenseiten des Wabenkörpers 132' erfolgt ähnlich wie bei dem Dichtrand 140 der Wärmetauscherelemente 130. Der Dichtrand 140' weist demzufolge auf einer Seite 134' des Wabenkörpers 132' an seiner Oberseite einen Rücksprung 142' auf, während auf der gegenüber liegenden Seite 136' des Wabenkörpers 132' der Dichtrand einen Rücksprung 144' auf seiner Unterseite aufweist. Die Dichtrandabschnitte benachbarter Wärmetauscherelemente 130' können mit den Rücksprüngen 142' und 144' überlappend in dem Rotor aufgenommen werden. Gleichzeitig ergibt sich hierdurch wiederum die Möglichkeit, den Dichtrand 140' als Träger für die Wärmetauscherelemente 130' zu nutzen, wobei eine plane Oberseite des bestückten Rotors gewährleistet wird.
Für eine präzise Positionierung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente 130' in Umfangsrichtung des Rotors dienen auch hier vorzugsweise Formschlusselemente 146', 148', die ähnlich denen des Dichtrandes 140 des Wärmetauscherelements 130 ausgebildet sind, so dass auf dessen Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Die 6A zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 200, welches zusätzlich zu einem Wabenkörper 202 und einem Dichtrand 204 eine Halterung 206 aufweist. Die Halterung weist bevorzugt eine Käfig-artige Rahmenstruktur auf, wie sie beispielsweise in der 6A gezeigt ist.
Hierbei wird die Halterung 206 bevorzugt so bemessen, dass sie sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Rotors 100 (vgl. 2A) erstreckt und neben dem Wabenkörper 202 in Durchströmrichtung des Rotors gesehen eine weitere Wärmetauscherkomponente (nicht gezeigt) für die Warmendlage auf das Wärmetauscherelement 200 ausgerichtet aufnehmen kann.
Der Dichtrand 204 des Wärmetauscherelements 200 kann, im Falle dass es in einer oberen Kaltendlage zum Einsatz kommt, wieder als Träger für das Wärmetauscherelement 200 als Ganzes ausgebildet werden, der sich an den Stirnseiten der Rotorwandungen 110 abstützt. Bevorzugt werden hier der Wabenkörper 202 und der Dichtrand 204 als separate Bauteile gefertigt, wodurch der Zusammenbau, insbesondere auch die Integration einer unterhalb des Wabenkörpers 202 angeordneten weiteren Wärmetauscherkomponente, in einfacher Weise bewerkstelligt werden kann.
Für die Fixierung des Dichtrandes 204 an dem Wabenkörper 204 stehen wieder die im Zusammenhang mit den 5A bis 5C beschriebenen Techniken zur Verfügung. Alternativ kann der Dichtrand auch an der Halterung 206 fixiert werden. Auch dies kann stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen.
Alternativ kann das Wärmetauscherelement 200 auch über die Halterung 206 in einer Rotorkammer gehalten werden, welches sich dabei auf Stützleisten 103 oder blockförmigen Halteelementen 169 (vgl. 2A) abstützt.
In 6B ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 220 mit einem Wabenkörper 222, einem Dichtrand 224 und einer Halterung 226 gezeigt.
Bei dem Wärmetauscherelement 220 kommt der Wabenköper 222 im Rotor 100 in einer unteren Kaltendlage zum Einsatz. Beispielsweise stützt sich dann der Dichtrand 224 an Stützleisten 103 oder blockförmigen Halteelementen 169 (vgl. 2A) in der jeweiligen Rotorkammer ab. Der Wabenkörper 222 ist in der 6B noch in einer angehobenen Position dargestellt. Der Wabenkörper 222 sitzt in seiner endgültigen Position auf Querstegen 228, 229 der Halterung 226 auf.
Der Dichtrand 224 ist hier unten an der Halterung 226 angeordnet und gegebenenfalls an dieser fixiert, so dass das Wärmetauscherelement 220 als Ganzes gehandhabt werden kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, den Dichtrand 224 als separat handhabbares Element auszubilden, welches bei der Montage des Wärmetauscherelements 220 zunächst allein in einer Rotorkammer eingesetzt wird. Erst danach werden die weiteren Bestandteile des Wärmetauscherelements 220, d.h. der in der Halterung 226 installierte Wabenkörper 222, gegebenenfalls gemeinsam mit einer weiteren Wärmetauscherkomponente (nicht gezeigt), in die Rotorkammer eingesetzt.
Der Dichtrand 224 weist deshalb in beiden Fällen bevorzugt an seiner Unterseite Aussparungen 230, 231 auf, in die die Stützleisten 103 oder die blockförmigen Halteelemente 169 bei der Montage eingreifen.
Der Dichtrand 224 selbst ist, da als separates Bauteil hergestellt, vorzugsweise mit einer kompakten, im Wesentlichen gasdichten Struktur gefertigt.
7A zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements 250 mit einem Wabenkörper 252 und einem Dichtrand 254 zur Montage in einer unteren Kaltendlage des Rotors 100 (vgl. 2A).
Die Rotorkammer 104 weist an ihrem unteren Rand auf gegenüber liegenden Seiten die schon im Zusammenhang mit der 2A beschriebenen blockförmigen Halteelemente 169 auf, an deren Stelle selbstverständlich auch anders ausgebildete Halteelemente, beispielsweise die in der 2A ebenfalls dargestellten Stützleisten 103, zum Einsatz kommen können.
7A zeigt den Dichtrand 254 noch in angehobener Position oberhalb des unteren Randes der Rotorkammer 104 und der Halteelemente 169. Gemäß einer Variante bleibt der Dichtrand als separat handhabbares Teil erhalten und wird zuerst in die Rotorkammer 104 eingesetzt. Erst danach wird der Wabenkörper 252 auf dem Dichtrand 254 platziert. Eine feste Verbindung zwischen dem Dichtrand 254 und dem Wabenkörper 252 kann entfallen, da die Positionierung des Wabenkörpers 252 auf dem Dichtrand 254 bereits durch das Eigengewicht des Wabenkörpers 252 ausreichend gasundurchlässig ausfällt.
Der Dichtrand 254 weist an einander gegenüber liegenden Abschnitten an der Unterseite Aussparungen 258, 259 auf, in die die Halteelemente 169 eingreifen können.
Alternativ kann der Dichtrand 254 mit dem Wabenkörper 252 schon vor oder auch nach der Montage in der Rotorkammer 104 verbunden werden, wobei wiederum eine stoffschlüssige, eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung gewählt werden kann, insbesondere auch die Varianten, die im Zusammenhang mit den 5A bis 5C beschrieben wurden.
Überraschenderweise entfaltet auch hier der Dichtrand 254 wieder seine Schutzwirkung für das Material der Rotorwände, obwohl er nicht auf der Anströmseite des Wärmetauscherelements 250, sondern auf der Abströmseite des Rotors 100 angeordnet ist.
Die 7B schließlich zeigt eine Einbausituation für erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente 250 in einer oberen Kaltendlage in einem Rotor 100' oder 100'', bei dem durch die Außenwand 102', 102'' und (hier nicht gezeigte) radiale Trennwände sowie die Innenwand ring- oder Ringsegment-förmige Aufnahmebereiche für die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente 250 gebildet sind.
Im unteren Bereich (ca. zwei Drittel der Höhe der Rotoraußenwand 102', 102'') sind noch einzelne Aufnahmekammern 104', 104'', 105', 105'' etc. vorhanden, die von radial verlaufenden Trennwänden 110', 110'' und in Umfangsrichtung verlaufenden Trennwänden 114', 114'' bzw. 115', 115'' etc. gebildet werden.
In der Kaltendlage kommen wiederum erfindungsgemäße Wärmetauscherelemente zum Einsatz, die hier in Form der Wärmetauscherelemente 260 mit einem Wabenkörper 262 und einem Dichtrand 264 zum Einsatz kommen, wobei der Dichtrand 264 vorzugsweise als separat handhabbares Bauteil ausgebildet ist.
Der Wabenkörper 262 weist an seiner unteren Stirnseite einen ringsum laufenden Rücksprung 266 auf, der in den Dichtrand 264 eingesetzt werden kann.
Der Dichtrand 264 wiederum ist an zwei gegenüber liegenden Seiten in Umfangsrichtung des Rotors 100', 100'', mit einer Konfiguration mit Rücksprüngen auf der Oberseite bzw. der Unterseite ausgebildet, welche zusätzlich noch mit Formschlusselementen, hier der Einfachheit halber insgesamt mit dem Bezugszeichen 274 angedeutet, versehen sind.
Hier können dieselben Prinzipien zum Einsatz kommen wie bei den Dichträndern 140' im Rahmen der 5A und 5B beschrieben, so dass auf die näheren Ausführungen der Figurenbeschreibung der 5A und 5B verwiesen werden kann.
Vorzugsweise weisen die Wärmetauscherelemente 260 an ihrer oberen Stirnseite zusätzlich Dichtränder (nicht gezeigt) auf, die aneinander angrenzend an der Oberseite des Wärmetauschers 100', 100'' eine im Wesentlichen geschlossene Struktur zwischen benachbarten Wärmetauscherelementen 260 ergeben.
Diese an der Oberseite angeordneten Dichtränder sind vorzugsweise einstückig mit dem Wabenkörper 262 ausgebildet, so dass sich die Handhabung der Wärmetauscherelemente 260 beim Einbau in den Rotor 100', 100'' vereinfacht.
Wie aus der 7B ersichtlich, können in Umfangsrichtung konzentrisch angeordnete Ringe von Wärmetauscherelementen 260 in dem Rotor 100', 100'' untergebracht werden, die eine exakte Positionierung beibehalten zum Einen aufgrund der speziellen Struktur der Dichtränder 264, zum Anderen aber auch aufgrund der trapezförmigen Grundrissgestaltung der Wärmetauscherelemente 260.
Wandelemente, wie sie in anderen Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen, um einzelne Aufnahmekammern für die Wärmetauscherelemente 260 zu bilden, sind, wie aus diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich, offensichtlich nicht erforderlich, so dass sich die Ausbildung von Kammern innerhalb der Rotoren 100', 100'' auf den Bereich der so genannten Warmendlage beschränken kann und somit eine erhebliche Materialeinsparung, in der Folge auch eine Gewichtseinsparung, ergibt. Darüber hinaus sind, wie weiter oben schon beschrieben, die Risiken für das Korrodieren des Rotors 100', 100'' bzw. von dessen Bestandteilen deutlich reduziert.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente müssen aufgrund des Eintrags korrosiver Gase und Aschepartikel durch das Rauchgas – auch in dessen aufbereiteter, entstaubter Form – regelmäßig gereinigt werden, so dass die einfache und sichere Handhabung dieser Elemente einerseits, aber auch die einfache Reinigung der Wabenstruktur andererseits von großer Bedeutung ist. Die Reißfestigkeit und die Reißdehnung (gemessen nach ISO 12086-2) der Wabenkörperwände sowie deren Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Chemikalienbeständigkeit und die Rauigkeit, gemessen als Rautiefe und Mittenrauwert (gemessen nach DIN EN ISO 1302), spielen dabei eine große Rolle.
Auch die Wärmebeständigkeit des PTFE-Materials ist von Bedeutung im Hinblick auf die bei den Wärmetauschern auftretenden Temperaturen der Rauchgase von beispielsweise ca. 250 ºC.
Für die Effektivität des die Wärmetauscherelemente beinhaltenden Rotors bei der Wärmeübertragung von dem einen Gasstrom auf den jeweils im Gegenstrom zugeführten Gasstrom sind die Parameter der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Wärmespeicher- und -übertragungsmedien von entscheidender Bedeutung.
Die vorliegende Erfindung trägt auch diesen Gesichtspunkten Rechnung durch die Auswahl der Kunststoffmaterialien und gegebenenfalls der Füllstoffe zur Herstellung der Wärmeaustauscherelemente bzw. der für die Herstellung derselben angefertigten Wabenblöcke.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19512351 C1 [0003, 0035]
WO 2013/127594 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 12086-2 [0048]
ISO 12086-2 [0049]
DIN EN ISO 1302 [0050]
DIN EN ISO 1302 [0051]
ISO 12086-2 [0154]
DIN EN ISO 1302 [0154]

Claims

Wärmetauscherelement zur Bestückung von Wärmetauschern von Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken, wobei das Wärmetauscherelement einen blockförmigen Wabenkörper mit vier Außenseiten und zwei im Wesentlichen parallelen Stirnseiten und einen Dichtrand umfasst, wobei der Wabenkörper aus einem Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Strömungskanäle, die über Kanalwände voneinander getrennt sind, ausgebildet ist, wobei sich die Strömungskanäle von der einen zur anderen Stirnseite erstrecken, und wobei der Dichtrand im Bereich einer der Stirnseiten und im Wesentlichen parallel zu dieser Stirnseite angeordnet ist und sich am Umfang des Wabenkörpers von diesem weg erstreckt.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand einstückig mit dem Wabenkörper ausgebildet ist.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als separates Bauteil ausgebildet ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand eine offene Wabenstruktur aufweist, welche zumindest partiell mit einem Flächenmaterial im Wesentlichen gasundurchlässig abgedeckt ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand eine kompakte, im Wesentlichen gasundurchlässige Struktur aufweist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand direkt mit dem Wabenkörper mittels Form- und/oder Kraftschluss oder stoffschlüssig verbunden ist oder mittels Befestigungselementen an dem Wabenkörper gehalten ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, welches insbesondere ausgewählt ist aus dem Kunststoffmaterial des Wabenkörpers und PFA.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand im Bereich einer ersten Außenseite des Wabenblocks einen im Wesentlichen parallel zur Außenseite verlaufenden Rücksprung auf seiner Oberseite und im Bereich einer zweiten, der ersten Außenseite des Wabenkörper gegenüber liegenden Außenseite mit einem komplementären Rücksprung auf seiner Unterseite ausgebildet ist.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand im Bereich der Rücksprünge mit komplementären Formschlusselementen ausgestattet ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als Träger für den Wabenkörper ausgebildet ist.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als Träger des Wabenkörpers an zwei gegenüber liegenden Außenseiten des Wabenblocks mit Auflageflächen ausgebildet ist, zur Abstützung an oder auf einer Wandung einer Aufnahmekammer des Wärmetauschers.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen des Dichtrandes an solchen Außenseiten des Wabenkörpers positioniert sind, welche sich im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung des Wärmetauschers erstrecken.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement eine Halterung umfasst, in welcher der Wabenkörper aufgenommen ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen Kunststoff umfasst, der virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält, wobei bevorzugt das virginale PTFE einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, weiter bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweist.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer eine mittlere Primärpartikelgröße D₅₀ von ca. 10 µm bis ca. 200 µm, bevorzugt ca. 10 µm bis ca. 100 µm, aufweist.
Wärmetauscherelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert Ra der Oberflächen des Wabenkörpers, gemessen in Längsrichtung der Wabenblockkanäle, ca. 10 µm oder weniger, insbesondere 5 µm oder weniger, beträgt und/oder dass die Rautiefe Rz der Oberflächen des Wabenblocks, gemessen in Längsrichtung der Strömungskanäle des Wabenblocks, ca. 50 µm oder weniger, insbesondere ca. 40 µm oder weniger, bevorzugt ca. 30 µm oder weniger, weiter bevorzugt ca. 20 µm oder weniger, beträgt.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen nichtmetallischen Füllstoff und/oder einen metallischen Füllstoff umfasst, wobei die Partikelgröße D₅₀ des jeweiligen Füllstoffes vorzugsweise ca. 100 µm oder weniger beträgt, und dass vorzugsweise der nicht-metallische Füllstoff mit einem Anteil von ca. 35 Gew.-% oder weniger, und/oder der metallische Füllstoff mit einem Anteil von ca. 60 Gew.-% oder weniger, in dem Kunststoffmaterial enthalten ist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Wabenblocks eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m·K) oder mehr aufweist und/oder dass das Kunststoffmaterial des Wabenblocks eine Wärmekapazität von ca. 0,9 J/(g·K) oder mehr aufweist.
Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände der Strömungskanäle des Wabenkörpers eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2 mm aufweisen.
Wärmetauscher für Rauchgasreinigungsanlagen, umfassend eine Vielzahl an Wärmetauscherelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen ringförmigen Aufnahmeraum oder mehrere Ringsegment-förmige Aufnahmeräume umfasst, in denen mehrere Wärmetauscherelemente aufgenommen sind, wobei die Wärmetauscherelemente in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind.