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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rauchgaswärmetauscher sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Rauchgaswärmetauschers, wobei der Rauchgaswärmetauscher einen Rauchgaseinlass und einen Durchgangsbereich für das Rauchgas mit einer darin angeordneten Wärmetauschereinrichtung und einen Rauchgasauslass aufweist.
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Rauchgaswärmetauscher werden zur Gewinnung von Energie aus dem Rauchgas einer Verbrennungseinrichtung für fossile und/oder organische Brennstoffe eingesetzt. Solche Rauchgaswärmetauscher weisen üblicherweise eine Wärmetauschereinrichtung auf, welche vom Rauchgas durchströmt wird, wobei dem Rauchgas beim Durchströmen der Wärmetauschereinrichtung anderweitig nutzbare Wärmeenergie entzogen wird. In der Regel entzieht die Wärmetauschereinrichtung dem Rauchgas nur Wärme bis zum Kondensationspunkt des Rauchgases, da sich sonst das kondensierte Wasser und die im Rauchgas vorhandenen Reststoffe zu Säuren verbinden können und so die Wärmetauschereinrichtung schädigen können. Beim Durchströmen der Wärmetauschereinrichtung setzen sich ferner häufig im Rauchgas enthaltene Feststoffpartikel an den Oberflächen der Rauchgasdurchgänge fest, was bei bekannten Rauchgaswärmetauschern zu einer Verschmutzung der Oberflächen der Rauchgasdurchgänge führt, woraus sich Wirkungsgradverluste der Rauchgaswärmetauscher ergeben können. Dabei entstehen an den Wänden von Wärmetauschern oft so genannte „Anbackungen”, die nur sehr schwer wieder zu entfernen sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rauchgaswärmetauscher und ein Verfahren zum Betrieb eines Rauchgaswärmetauschers mit verbessertem Aufbau vorzuschlagen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Rauchgaswärmetauscher vorgeschlagen, mit einem Rauchgaseinlass, einem nach dem Rauchgaseinlass angeordneten ersten Durchgangsbereich für ein Rauchgas und einem zweiten Durchgangsbereich für das Rauchgas. In dem zweiten Durchgangsbereich für das Rauchgas ist eine Wärmetauschereinrichtung angeordnet, die beispielsweise von einem Wärmetauschermedium durchströmbar ist, mit wenigstens einem Rauchgasdurchgang mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung für das Rauchgas. Der Rauchgaswärmetauscher weist ferner einen Rauchgasauslass und mindestens einen Sammelbehälter für Flüssigkeit auf. Es wird vorgeschlagen, im ersten Durchgangsbereich eine erste Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung anzuordnen, mittels welcher eine Reinigungsflüssigkeit in den ersten Durchgangsbereich einsprühbar ist, wobei im ersten Durchgangsbereich eine Querschnittsverengungseinrichtung angeordnet ist, um die Aufnahme von Partikeln aus dem Rauchgas in die Reinigungsflüssigkeit zu verbessern.
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Beim Betrieb eines solchen Rauchgaswärmetauschers strömt das Rauchgas durch den Rauchgaseinlass in den Rauchgaswärmetauscher und dort in einen ersten Durchgangsbereich. Auf seinem weiteren Weg durch den Rauchgaswärmetauscher strömt das Rauchgas auch durch einen zweiten Durchgangsbereich, in welchem eine vom Rauchgas durchströmbare Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist. Die Wärmetauschereinrichtung weist wenigstens einen Rauchgasdurchgang auf. Durch eine Eintrittsöffnung des Rauchgasdurchgangs strömt Rauchgas in den Rauchgasdurchgang ein und durch eine Austrittsöffnung strömt das Rauchgas wieder aus dem Rauchgasdurchgang aus, wobei das Rauchgas auf seinem Weg durch den Rauchgasdurchgang der Wärmetauschereinrichtung abgekühlt wird.
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Die Wärmetauschereinrichtung ist vorzugsweise von einem Wärmetauschermedium durchströmbar, welches Wärmeenergie aufnehmen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein Rauchgas durch den Rauchgasdurchgang der Wärmetauschereinrichtung strömt und das durch die Wärmetauschereinrichtung strömende Wärmetauschermedium eine niedrigere Temperatur aufweist als das Rauchgas. Eine Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass Wärmeenergie vom Rauchgas mit möglichst geringen Verlusten auf das Wärmetauschermedium übertragen wird.
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Die Abgabe der Wärmeenergie des Rauchgases in einem Rauchgasdurchgang der Wärmetauschereinrichtung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das Rauchgas an der vergleichsweise kühleren Oberfläche des Rauchgasdurchgangs entlangströmt und dabei Wärmeenergie an die Wärmetauschereinrichtung abgibt. Das Rauchgas kühlt sich dabei ab. Bei einer Ausführungsform strömt ein Wärmetauschermedium insbesondere gleichzeitig durch die Wärmetauschereinrichtung und nimmt dabei an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs abgegebene Wärmeenergie auf; das Wärmetauschermedium erwärmt sich dabei.
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Bei einer solchen Ausführungsform weist ein geeignetes Wärmetauschermedium folglich vor seinem Eintritt in die Wärmetauschereinrichtung eine geringere Temperatur auf als bei seinem Austritt aus der Wärmetauschereinrichtung und das Rauchgas weist vor seinem Eintritt in die Wärmetauschereinrichtung eine höhere Temperatur auf als bei seinem Austritt aus der Wärmetauschereinrichtung. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenso möglich, anstelle oder neben einer von einem Wärmetauschermedium durchströmten Wärmetauschereinrichtung auch jede andere geeignete Wärmetauschereinrichtung zu verwenden.
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Abhängig von der Entstehung des Rauchgases enthält dieses einen gewissen Anteil Feuchtigkeit, so dass sich bei der Wärmeabgabe und damit bei der Abkühlung des Rauchgases Flüssigkeit bilden kann. Der Rauchgaswärmetauscher weist wenigstens einen Sammelbehälter auf, in welchem sich gebildete Flüssigkeit sammelt. Ferner weist der Rauchgaswärmetauscher einen Rauchgasauslass auf, durch welchen das Rauchgas aus dem Rauchgaswärmetauscher strömt.
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Abhängig von der Zusammensetzung und der Feuchte des Brennstoffs sowie der Zuluft entstehen beim Brennvorgang unterschiedliche Mengen an Wasserdampf sowie sonstiger kondensierbarer Stoffe im Rauchgas. Eine Kondensation dieser im Rauchgas enthaltenen Feuchtigkeit tritt ab einer Abkühlung des Rauchgases unter dessen Taupunkt auf. Eine Kondensation findet insbesondere an den vergleichsweise kühlen Wänden des Rauchgasdurchgangs im Wärmetauscher statt, die bei einer Ausführungsform vom Wärmetauschermedium durchströmt werden. Dabei wird Kondensationsenergie frei, welche den Energieertrag des Rauchgaswärmetauschers erhöht.
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Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung von beispielsweise organischen Stoffen, Kohle oder brennbaren Abfällen auch Glanzruß, Flugasche, Flugstaub, Holzteer oder Teer und gegebenenfalls unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Insbesondere im Zuge der Abkühlung des Rauchgases im Rauchgasdurchgang scheiden sich diese Stoffe ab und verunreinigen die Oberfläche des Rauchgasdurchgangs. Abhängig von der Oberflächentemperatur im Rauchgasdurchgang können diese Verunreinigungen auch so genannte Anbackungen bilden, die stark an der Oberfläche haften.
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Beim Durchströmen eines Rauchgasdurchgangs der Wärmetauschereinrichtung können unterschiedliche Anteile des Rauchgases abgeschieden werden: Zunächst scheiden sich zumeist Feststoffpartikel wie beispielsweise Stäube aus dem heißen Rauchgas an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs ab und verunreinigen diese. Durchströmt das Rauchgas weiter den Wärmetauscher, so kühlt sich das Rauchgas im Rauchgasdurchgang weiter ab, vorzugsweise bis unter seinen Taupunkt, woraufhin im Rauchgas enthaltene Feuchtigkeit insbesondere an den Wänden des Rauchgasdurchgangs kondensiert.
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Um Partikel insbesondere von Feststoffen wie beispielsweise Stäuben bereits vor dem Eintreten des Rauchgases in einen Rauchgasdurchgang der Wärmetauschereinrichtung aus diesem zu entfernen wird vorgeschlagen, im ersten Durchgangsbereich des Rauchgaswärmetauschers eine erste Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung anzuordnen, mittels welcher eine Reinigungsflüssigkeit in den ersten Durchgangsbereich einsprühbar ist. Die Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Reinigungsflüssigkeit, welche beispielsweise auch Wasser oder Wasser mit geeigneten Zusätzen sein kann, im ersten Durchgangsbereich fein verteilt, insbesondere vernebelt, so dass im Rauchgas enthaltene Partikel in der Reinigungsflüssigkeit gebunden und so ausgewaschen werden können. So können die Partikel bereits vor einem Eintreten in einen Rauchgasdurchgang aus dem Rauchgas abgeschieden werden. Abgesehen von der damit verbundenen vorteilhaften Reinigung des Abgases wird eine Verunreinigung der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs deutlich reduziert.
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Die Einsprüheinrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass eine möglichst große Menge der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit von dem Rauchgas aufgenommen wird, das den ersten Durchgangsbereich durchströmt. Hierfür ist die Einsprüheinrichtung so ausgebildet, dass die Reinigungsflüssigkeit einen möglichst großen Querschnitt des Durchgangsbereichs erfasst. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz mehrerer Sprühöffnungen, insbesondere Sprühdüsen erfolgen, oder auch mittels geeigneter Sprühkegel von Sprühdüsen, welche einen möglichst großen Anteil des Querschnitts des Durchgangsbereichs erfassen. Ferner ist die Einsprüheinrichtung vorzugsweise so ausgebildet, dass diese die Reinigungsflüssigkeit derart in den ersten Durchgangsbereich einsprüht, dass diese vom Rauchgas gut aufgenommen werden kann, wie beispielsweise in vernebelter Form oder auch abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit in verschiedenen Bereichen des ersten Durchgangsbereichs. Partikel im Rauchgas, insbesondere Feststoffpartikel wie Feinstaub wirken dabei als Kondensationskeime, die Reinigungsflüssigkeit an sich binden. Dabei entstehen Flüssigkeitstropfen, welche im Rauchgas enthaltene Partikel binden und aus dem Rauchgasstrom abgeschieden werden können.
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Zum Ausscheiden der Flüssigkeitstropfen ist bevorzugt der untere Bereich des ersten Durchgangsbereichs geeignet ausgebildet, dass insbesondere an Partikeln gebildete Flüssigkeitstropfen der Reinigungsflüssigkeit dort gesammelt und in einen Sammelbehälter geführt werden können. Dies kann beispielsweise mittels Schwerkraft und/oder einer Änderung der Strömungsrichtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases beim Durchströmen der Wärmetauschereinrichtung erfolgen. Bevorzugt ist im unteren Bereich des ersten Durchgangsbereichs ein Sammelbehälter angeordnet.
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Es wird ferner vorgeschlagen, im ersten Durchgangsbereich eine Querschnittsverengungseinrichtung anzuordnen, um die Aufnahme von Partikeln aus dem Rauchgas in die Reinigungsflüssigkeit zu verbessern. Durch die Verengung des Durchgangsquerschnitts wird das in den Rauchgaswärmetauscher eingeströmte Rauchgas insbesondere in dem Bereich, in den eine Reinigungsflüssigkeit eingesprüht wird, in geeigneter Weise beschleunigt, wodurch die Vermischung von Reinigungsflüssigkeitsnebel und Rauchgas verstärkt wird, um die Bindung von Partikeln aus dem Rauchgas an die Reinigungsflüssigkeit zu verbessern.
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Die Querschnittsverengung arbeitet vorzugsweise nach dem Venturi-Prinzip, d. h. im Bereich der Querschnittsverengung steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases während der statische Druck in diesem Bereich sinkt. Durch die Querschnittsverengung wird so eine bessere Vermischung der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit mit dem Rauchgas erreicht, wodurch mehr Partikel im Rauchgas Reinigungsflüssigkeit an sich binden und dadurch aus dem Rauchgas ausgeschieden werden können. Dieser Effekt wird insbesondere auch durch die Verwirbelung des Rauchgases nach dem Durchtritt durch die Querschnittsverengung verstärkt. Dabei hat sich insbesondere eine Querschnittverengung von etwa 1:20 als vorteilhaft erwiesen. Jedoch bewirkt auch bereits eine Querschnittsverengung von 1:2 eine Verbesserung der Ausscheidung von Partikeln aus dem Rauchgas. Eine stärkere Verengung des Querschnitts bis beispielweise 1:40 führt ferner zu einer weiter verbesserten Ausscheidung von Partikeln, jedoch steigt mit zunehmender Querschnittsverengung der Aufwand, die Strömung im Rauchgaswärmetauscher aufrecht zu erhalten. Eine geeignete Querschnittsverengung wird daher insbesondere im Verhältnis in einem Bereich von 1:15 bis 1:25 gesehen, wobei auch andere Verhältnisse abhängig von der Bauform des Rauchgaswärmetauschers vorteilhaft sein können.
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Die Wirkung der Querschnittsverengung ist ferner von weiteren Faktoren der Ausgestaltung abhängig. So kann die Wirkung durch Form und Anordnung der Verengung beeinflusst werden, ebenso beispielsweise durch die Oberfläche des ersten Durchgangsbereichs insbesondere im Bereich der Querschnittsverengung, wobei beispielsweise eine raue oder strukturierte Oberfläche eine weitere Verwirbelung des Rauchgases begünstigen kann.
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Das Anordnen von Querschnittsverengungen in Form von Strömungsleiteinrichtungen oder dergleichen, die insbesondere eine Verwirbelung des Rauchgas-Reinigungsflüssigkeitsgemisches bewirken, oder in Form eines oder mehrerer angetriebener Ventilatoren ist ebenfalls möglich. Durch das Vorsehen einer Reinigungsflüssigkeits-Einsprüheinrichtung und einer Querschnittsverengungseinrichtung im ersten Durchgangsbereich eines Rauchgaswärmetauschers kann der Anteil von Partikeln, insbesondere von Feinstaubpartikeln im Rauchgas deutlich gesenkt werden.
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So können bereits im ersten Durchgangsbereich Partikel aus dem Rauchgas entfernt werden, welche während der weiteren Durchströmung des Rauchgaswärmetauschers zu einer Verunreinigung der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs im Wärmetauscher führen können. Darüber hinaus bewirkt bereits der erste Reinigungsschritt im ersten Durchgangsbereich eine deutliche Verbesserung der Abgasqualität insbesondere des Feinstaubanteils des Rauchgases nach dem Verlassen des Rauchgaswärmetauschers.
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Für eine Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Austrittsöffnung des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs gegenüber der Eintrittsöffnung des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs der Wärmetauschereinrichtung horizontal nach oben versetzt anzuordnen. Das heißt, dass eine horizontal angeordnete Ebene, in welcher die Austrittsöffnung bzw. ein charakteristischer Teil der Austrittsöffnung eines Rauchgasdurchgangs angeordnet ist, vertikal oberhalb einer horizontalen Ebene angeordnet ist, in welcher die Eintrittsöffnung bzw. ein charakteristischer Teil der Eintrittsöffnung des Rauchgasdurchgangs angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass das im Rauchgasdurchgang gebildete Kondensat aufgrund der Schwerkraft über die Oberfläche des Rauchgasdurchgangs in Richtung zu dessen Eintrittsöffnung hin fließt. Dabei kann diese Flüssigkeit auf ihrem Weg an der Oberfläche angesammelte Verunreinigungen wie Ruß, Asche, Flugstaub oder Teer mitnehmen. Das im Rauchgasdurchgang gebildete Kondensat wird somit zur Reinigung des Rauchgasdurchgangs genutzt. Das Kondensat sammelt sich anschließend in einem Sammelbehälter für Flüssigkeit.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers verläuft der wenigstens eine Rauchgasdurchgang im Wesentlichen senkrecht durch die Wärmetauschereinrichtung. Eine im wesentlichen senkrechte Anordnung des Rauchgasdurchgangs ermöglicht eine gute Führung des sich bildenden Kondensats zur Eintrittsöffnung des Rauchgasdurchgangs, was zu einer höheren Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit führt und damit eine verbesserte Reinigungswirkung ermöglicht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers ist nach dem Rauchgaseinlass, insbesondere im Eingangsbereich des ersten Durchgangsbereichs eine Vorabscheideeinrichtung angeordnet. Diese ist so ausgebildet, dass sie zur Verringerung des Anteils an Feinstaub, vorzugsweise je nach Ausführung auch von Kohlenmonoxid und/oder von kurzkettigen organischen Verbindungen oder weiteren Inhaltsstoffen des Rauchgases, welches in den Rauchgaswärmetauscher einströmt, dient. Eine solche Vorabscheideeinrichtung kann auf mechanische Weise, etwa in der Art eines Filters, und/oder auf chemische Weise, etwa durch Katalysatorwirkung, zur Vorabscheidung von Verunreinigungen des Rauchgases eingesetzt werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers ist im Austrittsbereich des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs des Wärmetauschers eine zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung angeordnet, mittels welcher eine Reinigungsflüssigkeit auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs aufbringbar ist. Auch mit der zweiten Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung wird beispielsweise Wasser oder Wasser mit geeigneten Zusätzen als Reinigungsflüssigkeit verwendet. Die Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung bringt die Reinigungsflüssigkeit möglichst so insbesondere im Bereich der Austrittsöffnung des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs ein, dass die Reinigungsflüssigkeit vorzugsweise zumindest einen Teil der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs benetzt und dort von der Austrittsöffnung für das Rauchgas her insbesondere aufgrund der Schwerkraft in Richtung zur Eintrittsöffnung für das Rauchgas fließen kann.
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Dabei nimmt die Reinigungsflüssigkeit vorzugsweise an dieser Oberfläche angesammelte Rauchgaspartikel auf und transportiert diese aus der Wärmetauschereinrichtung hinaus. Wird die Wärmetauschereinrichtung gleichzeitig von einem Rauchgas durchströmt, vermischt sich die Reinigungsflüssigkeit dabei mit dem vorzugsweise gleichzeitig an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs entstehenden Kondensat. Bei stärkeren „Anbackungen” kann die zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung so lange betrieben werden, bis die Ablagerungen ausreichend aufgeweicht und mit der Reinigungsflüssigkeit abgeflossen sind. Die Reinigungsflüssigkeit sammelt sich nach dem Austritt aus dem Rauchgasdurchgang mit dem Kondensat in einem Sammelbehälter für Flüssigkeit. Bei einer Ausführungsform ist es ebenso möglich, die zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung zu betreiben, während die Wärmetauschereinrichtung nicht von einem Rauchgas durchströmt wird, um beispielsweise ”Anbackungen” durch eine längere Einwirkungszeit der Feuchtigkeit zu lösen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers ist die zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung auch zur Kühlung des Rauchgases in der Wärmetauschereinrichtung einsetzbar. Eine Kühlung des Rauchgases, wenn dieses bereits durch den Rauchgasdurchlass des Wärmetauschers strömt, ist insbesondere dann möglich, wenn die Rauchgastemperatur so hoch ist, dass dessen Temperatur an der Austrittsöffnung der Wärmetauschereinrichtung noch oberhalb des Taupunkts des Rauchgases liegt. In diesem Fall ist der dem Rauchgas entzogene Anteil der Wärmeenergie verhältnismäßig gering, da keine Kondensation der im Rauchgas enthaltenen Feuchtigkeit stattfindet. Zudem lagern sich aufgrund der hohen Temperatur Rauchgaspartikel an den Wänden des Rauchgasdurchgangs an und „backen dort fest”. Um diesen Effekt zu vermeiden oder zumindest zu verringern, kann mittels einer zweiten Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung Reinigungsflüssigkeit in den wenigstens einen Rauchgasdurchgang zur Kühlung des Rauchgases sowie zur Kühlung und/oder Reinigung der Oberfläche des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs eingebracht werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers ist vor dem Rauchgasauslass eine Tropfenabscheideeinrichtung angeordnet. Sofern das Rauchgas nach dem Durchströmen des Wärmetauschers noch Feuchtigkeit aufweist, welche beispielsweise in Form von Tropfen an Rauchgaspartikel gebunden ist oder etwa mitgenommenes Kondensat, so werden diese Tropfen von der Tropfenabscheideeinrichtung aus dem Rauchgas entfernt. Dies ist vor allem zur Vermeidung einer „Versottung” des sich vorzugsweise anschließenden Kamins durch eine zu hohe Feuchtigkeit des Rauchgases vorteilhaft, welcher zur Ableitung des durch den Rauchgaswärmetauscher nun abgekühlten und gereinigten Rauchgases eingesetzt wird. Vorteilhafte Ausführungsformen einer Tropfenabscheideeinrichtung weisen eine große Oberfläche auf, welche von dem Rauchgas überstrichen wird, wie beispielsweise ein Labyrinth mit strömungsrichtungsändernden Kanten oder Vorsprüngen, an welchen sich die Feuchtigkeit sammeln und vorzugsweise in einen Sammelbehälter abgeführt werden kann.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers enthält die Reinigungsflüssigkeit zumindest teilweise ein Kondensat des Rauchgases. Bei einer solchen Ausführungsform wird zumindest ein Teil der Reinigungsflüssigkeit, welche in der ersten und/oder zweiten Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung verwendet wird, einem Sammelbehälter entnommen, in welchen zumindest ein Teil des in der Wärmetauschereinrichtung entstehenden Kondensats eingeleitet wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Rauchgaswärmetauscher mit einem möglichst ressourcenschonenden Flüssigkeitssystem auszustatten, bei welchem die Verwendung von Wasser, das von außen zugeführt werden muss, weitgehend reduziert ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers ist der Reinigungsflüssigkeit ein Reinigungsmittel zuführbar. Im Betrieb des Rauchgaswärmetauschers ist es vorzugsweise zumeist möglich, die erste und zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtungen mit einer Reinigungsflüssigkeit wie insbesondere Wasser zu betreiben, bei welcher auf einen Zusatz eines Reinigungsmittels verzichtet werden kann. Allerdings kann abhängig von den im Rauchgas enthaltenen Verbrennungsrückständen der Zusatz eines Reinigungsmittels erforderlich sein, um Ablagerungen und „Anbackungen” insbesondere von der Oberfläche des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs zu lösen. Ein verwendbares Reinigungsmittel bildet ferner vorzugsweise eine Lauge aus, so dass auf diese Weise sich möglicherweise durch im Rauchgas enthaltene Reststoffe gebildete Säuren wieder neutralisiert werden.
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Eine besondere, insbesondere ressourcenschonende Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers weist einen geschlossenen Reinigungsflüssigkeitskreislauf auf. Ein solcher Rauchgaswärmetauscher weist vorzugsweise einen Sammelbehälter auf, in welchem die im Rauchgaswärmetauscher enthaltene Flüssigkeit gesammelt wird. Vorzugsweise ist dieser Sammelbehälter so aufgebaut, dass sich mit der Flüssigkeit transportierte Partikel dort ablagern und nicht wieder in den Reinigungsflüssigkeitskreislauf gelangen können.
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Bei einer weiteren Entwicklung dieser Ausführungsform ist im Sammelbehälter für Flüssigkeit eine weitere Wärmetauschereinrichtung angeordnet, die beispielsweise von einem Wärmetauschermedium durchströmbar ist. Diese weitere Wärmetauschereinrichtung ermöglicht zum einen eine weitere Entnahme der in der Flüssigkeit gespeicherten Wärmeenergie, und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Rauchgaswärmetauschers, zum anderen wird durch die Entnahme der Wärmeenergie die Reinigungsflüssigkeit gekühlt, womit eine größere Kühlwirkung der zweiten Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung erreichbar ist.
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Eine weitere Ausführungsform des Rauchgaswärmetauschers weist eine Überströmleitung auf, durch welche das Rauchgas aus dem ersten Durchgangsbereich in den Austrittsbereich des zweiten Durchgangsbereichs führbar ist. Mittels dieser Überströmleitung ist es möglich, dass das Rauchgas nicht durch die Wärmetauschereinrichtung geführt wird. Dies kann beispielsweise aufgrund von Störungen bei der Zirkulation eines Wärmetauschermediums oder für Wartungszwecke erforderlich sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Überströmleitung so angeordnet, dass diese das Rauchgas erst nach dem Durchströmen eines Abschnitts des ersten Durchgangsbereichs aufnimmt, in welchem eine erste Reinigung des Rauchgases mittels Reinigungsflüssigkeit erfolgt ist und/oder das Rauchgas durch eine mechanisch und/oder chemisch wirksame Vorabscheideeinrichtung geströmt ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Rauchgaswärmetauschers vorgeschlagen, welcher einen Rauchgaseinlass, einen ersten Durchgangsbereich, der nach dem Rauchgaseinlass angeordnet ist mit einer darin angeordneten Querschnittsverengungseinrichtung, und einen zweiten Durchgangsbereich mit einer darin angeordneten Wärmetauschereinrichtung aufweist, die von einem Wärmetauschermedium durchströmt sein kann. Die Wärmetauschereinrichtung weist wenigstens einen Rauchgasdurchgang mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung für ein Rauchgas auf. Der Rauchgaswärmetauscher weist ferner mindestens einen Sammelbehälter für Flüssigkeit und einen Rauchgasauslass auf. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Reinigungsflüssigkeit in das Rauchgas im ersten Durchgangsbereich eingesprüht wird, die eingesprühte Reinigungsflüssigkeit insbesondere durch die Querschnittsverengungseinrichtung mit dem Rauchgas im ersten Durchgangsbereich vermischt wird, die Reinigungsflüssigkeit mit im ersten Durchgangsbereich aus dem Rauchgas aufgenommenen Partikeln, insbesondere Feststoffpartikeln in einem Sammelbehälter gesammelt wird, und dass das Rauchgas durch den mindestens einen Rauchgasdurchgang der Wärmetauschereinrichtung geleitet wird.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die eingesprühte Reinigungsflüssigkeit im Rauchgas verteilt, wodurch Partikel im Rauchgas als Kondensationskeime wirken, welche die Reinigungsflüssigkeit an sich binden. Auf diese Weise entstehen Flüssigkeitstropfen, welche im Rauchgas enthaltene Partikel binden, die mit den Flüssigkeitstropfen aus dem Rauchgasstrom abgeschieden werden können. Eine besonders gute Aufnahme von Partikeln aus dem Rauchgas wird insbesondere durch eine feine Vernebelung der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit erreicht. Durch die Vermischung der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit mit dem Rauchgas im ersten Durchgangsbereich kann der Anteil der Rauchgaspartikel, die vom Reinigungsmedium aufgenommen werden, weiter erhöht werden. Für diesen Zweck können geeignete Mittel zur Verengung des Querschnitts im ersten Durchgangsbereich eingesetzt werden. Nach dem Durchströmen der Querschnittsverengung erhöht sich die Vermischung insbesondere aufgrund der Verwirbelung des Luft-Reinigungsmedium-Gemisches bei der Expansion des Gemisches nach dem Durchtritt der Querschnittsverengung.
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Nachdem das Rauchgas die Querschnittsverengung durchströmt hat, wird die Reinigungsflüssigkeit mit den im ersten Durchgangsbereich aufgenommenen Partikeln aus dem Rauchgas abgeschieden in einem Sammelbehälter gesammelt. Auf diese Weise sind Feststoffpartikel bereits nach dem Rauchgaseinlass aus dem Rauchgas entfernbar, womit saubereres Rauchgas durch den Rauchgaswärmetauscher strömt, was zu einer Reduzierung von dessen Verschmutzung, insbesondere der Verschmutzung der Rauchgasdurchgänge der Wärmetauschereinrichtung beiträgt.
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Zum Durchführen eines besonderen Verfahrens zum Betrieb eines Rauchgaswärmetauschers ist dieser so ausgebildet, dass die Austrittsöffnung der Wärmetauschereinrichtung gegenüber der Eintrittsöffnung des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs horizontal nach oben versetzt angeordnet ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperatur des Rauchgases im Rauchgasdurchgang vor dem Austritt aus der Wärmetauschereinrichtung soweit gesenkt wird, dass ein im Rauchgas enthaltener Wasserdampf bzw. Feuchtigkeit vor dem Austritt aus der Wärmetauschereinrichtung zumindest teilweise an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs kondensiert. Die abfließende kondensierte Flüssigkeit wird zumindest teilweise über die Oberfläche des Rauchgasdurchgangs in den Sammelbehälter geführt, wobei die Flüssigkeit an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs dort angeordnete Rauchgaspartikel aufnimmt.
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Dadurch, dass ein Teil des Wasserdampfes im Rauchgasdurchgang der Wärmetauschereinrichtung kondensiert, bildet sich an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs Feuchtigkeit, und zwar umso mehr, je mehr sich das Rauchgas im Rauchgasdurchgang abkühlt, und damit auch umso mehr, je näher das Rauchgas der Austrittsöffnung kommt. Einerseits wird bei der Kondensation des Wasserdampfes Wärmeenergie frei – so dass mit der Menge des gebildeten Kondensats auch die Menge der abgegebenen Energie steigt. Andererseits bildet sich jedoch auch mehr Flüssigkeit, welche auf ihrem Weg von nahe an der Austrittsöffnung durch den Rauchgasdurchgang bis zur Eintrittsöffnung für das Rauchgas mehr an der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs abgelagerte Rauchgaspartikel aufnehmen kann. Dadurch, dass das Kondensat in entgegengesetzter Richtung zur Strömung des Rauchgases durch die Wärmetauschereinrichtung geführt wird, kann das Kondensat über die Oberfläche des Rauchgasdurchgangs geführt werden und dient so zur Reinigung der Oberfläche des Rauchgasdurchgangs.
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Bei einer weiteren Entwicklung des Verfahrens wird eine Reinigungsflüssigkeit in wenigstens einen Durchgangsbereich und insbesondere in den wenigstens einen Rauchgasdurchgang eingebracht. Dabei kann während des Betriebs des Rauchgaswärmetauschers im Falle zu hoher Rauchgastemperaturen eine Abkühlung des Rauchgases in wenigstens einem Rauchgasdurchgang erreicht werden, da die Reinigungsflüssigkeit eine geringere Temperatur aufweist als das Rauchgas. Zum anderen kann dabei auch Reinigungsflüssigkeit auf die Oberfläche des Rauchgasdurchgangs aufgebracht werden, welche, wie vorangehend bereits ausführlich beschrieben ist, zur Reinigung der Oberfläche des wenigstens einen Rauchgasdurchgangs beiträgt.
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Bei einer weiteren Entwicklung des Verfahrens werden nach dem Durchströmen des Wärmetauschers sich noch im Rauchgas befindende Tröpfchen vor dem Austreten des Rauchgases aus dem Rauchgaswärmetauscher abgeschieden. Die dabei gesammelte Flüssigkeit wird vorzugsweise in einen Sammelbehälter für Flüssigkeit geführt.
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Bei einer weiteren Entwicklung des Verfahrens wird wenigstens ein Teil der im wenigstens einen Rauchgasdurchgang kondensierten Flüssigkeit als Reinigungsflüssigkeit verwendet. Dadurch, dass die in einem Rauchgasdurchgang kondensierte Flüssigkeit in einen Sammelbehälter geführt wird, aus dem zumindest ein Teil der verwendeten Reinigungsflüssigkeit entnommen wird, kann im Rauchgasdurchgang kondensierte Flüssigkeit auch weiter als Reinigungsflüssigkeit verwendet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann es erforderlich sein, dass der Reinigungsflüssigkeit ein Reinigungsmittel zugeführt wird. Dies kann beispielsweise vom Verschmutzungsgrad der Rauchgasdurchgänge abhängig sein. In einem anderen Fall kann es auch aufgrund eines zu hohen Säuregehalts der Reinigungsflüssigkeit zweckmäßig sein, ein basisches Reinigungsmittel zuzusetzen, um die Reinigungsflüssigkeit zu neutralisieren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
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Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Rauchgaswärmetauschers,
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2: eine schematische Draufsicht auf den beispielhaften Rauchgaswärmetauscher aus 1,
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3: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des beispielhaften Rauchgaswärmetauschers aus 1 mit einer anderen beispielhaften Querschnittsverengungseinrichtung, und
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4: eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des beispielhaften Rauchgaswärmetauschers aus 3.
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1 zeigt einen beispielhaften Rauchgaswärmetauscher 10, mit einem Rauchgaseinlass 21 und einem ersten Durchgangsbereich 22, einem Sammelbehälter 23 für Flüssigkeit, einem zweiten Durchgangsbereich 24 und einem Rauchgasauslass 25.
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Im ersten Durchgangsbereich 22 ist nach dem Rauchgaseinlass 21 eine Vorabscheideeinrichtung 19 angeordnet. Diese enthält bei der beispielhaften Ausführungsform ein Filtergranulat zum Abscheiden von Verunreinigungen des Rauchgases unmittelbar nach dessen Eintritt in den Rauchgaswärmetauscher 10.
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Ebenfalls im ersten Durchgangsbereich 22 ist eine erste Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung 26 angeordnet, welche wenigstens eine Reinigungsflüssigkeit-Einsprühdüse 27 aufweist. Die Reinigungsflüssigkeit-Einsprühdüse 27 sprüht bzw. nebelt Reinigungsflüssigkeit in den ersten Durchgangsbereich 22 und damit in das durch den Rauchgaseinlass 21 eingeströmte Rauchgas. Zur Verbesserung der Vermischung des Rauchgases mit der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit ist im ersten Durchgangsbereich 22 eine Querschnittsverengungseinrichtung 28 in Form von geneigt angeordneten Blechen angeordnet, welche in der Art einer Venturi-Düse das Rauchgas im ersten Durchgangsbereich 22 zunächst aufstaut, damit es durch die Beschleunigung nach dem Durchtritt der Querschnittsverengungseinrichtung 28 verwirbelt wird und sich so verstärkt mit der Reinigungsflüssigkeit vermischt, um einen möglichst großen Anteil von im Rauchgas enthaltenen Partikeln in dieser zu binden und mit dieser auszuscheiden. Damit wird bereits unmittelbar nach dem Eintritt des Rauchgases in den Rauchgaswärmetauscher 10 der Anteil von Feinstaub und anderen flüssigkeitsbindbaren Partikeln im Rauchgas reduziert. Die beispielhaft gezeigte Querschnittsverengungseinrichtung 28 verengt den Querschnitt im ersten Durchgangsbereich 22 in einem Verhältnis von etwa 1:2.
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Im zweiten Durchgangsbereich 24 ist eine Wärmetauschereinrichtung 30 angeordnet, welche mehrere Rauchgasdurchgänge 31 aufweist, in 1 sind beispielhaft fünf Rauchgasdurchgänge 31 dargestellt. Jeder Rauchgasdurchgang 31 weist eine Eintrittsöffnung 32 und eine Austrittsöffnung 33 für das durchströmende Rauchgas auf, wobei die Austrittsöffnung 33 oberhalb der Eintrittsöffnung 32 und damit horizontal nach oben versetzt gegenüber der Eintrittsöffnung 32 angeordnet ist.
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Die Wärmetauschereinrichtung 30 ist von einem Wärmetauschermedium durchströmbar (nicht dargestellt), welches die vom Rauchgas innerhalb der Wärmetauschereinrichtung 30 abgegebene Wärmeenergie aufnimmt und der weiteren Nutzung zuführt.
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Im zweiten Durchgangsbereich 24 ist oberhalb der Wärmetauschereinrichtung 30 eine zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung 46 angeordnet, welche mehrere Reinigungsflüssigkeit-Einsprühdüsen 47 aufweist. Die Reinigungsflüssigkeit-Einsprühdüsen 47 sprühen bzw. nebeln Reinigungsflüssigkeit in den zweiten Durchgangsbereich 24 und damit – sofern Rauchgas strömt – in das Rauchgas und/oder in die Rauchgasdurchgänge 31 im Bereich der Austrittsöffnungen 33 ein.
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Unterhalb des ersten Durchgangsbereichs 22 und des zweiten Durchgangsbereichs 24 ist der Sammelbehälter 23 angeordnet, in welchem die im ersten und zweiten Durchgangsbereich 22, 24 anfallende Flüssigkeit gesammelt wird. Das Rauchgas strömt auf seinem Weg vom ersten Durchgangsbereich 22 zum zweiten Durchgangsbereich 24 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 29 durch den Sammelbehälter 23. Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 29 ist eine weitere Wärmetauschereinrichtung 45 angeordnet, die zum Abführen von Wärmeenergie zur weiteren Nutzung sowie gleichzeitig zur Kühlung der im Sammelbehälter 23 gesammelten Flüssigkeit dient.
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Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels und oberhalb einer möglichen Sedimentablagerung ist eine Flüssigkeits-Entnahmeeinrichtung 44 angeordnet, welche mit der ersten und zweiten Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung 26, 46 verbindbar ist, um die Flüssigkeit aus dem Sammelbehälter 23 als Reinigungsflüssigkeit zu verwenden und in den ersten und/oder zweiten Durchgangsbereich 22, 24 einzusprühen. Ferner ist am Sammelbehälter 23 eine Überlaufeinrichtung 48 angeordnet, welche im Falle eines Anstiegs des Flüssigkeitsspiegels 29 über eine maximale Höhe zum Abführen von Flüssigkeit aus dem Sammelbehälter 23 dient.
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In Strömungsrichtung des Rauchgases schließt sich an den zweiten Durchgangsbereich 24 ein Tropfenabscheidebereich 40 an. Im Tropfenabscheidebereich 40 ist eine Tropfenabscheideeinrichtung 41 (in 2 schematisch dargestellt) angeordnet, welche der Abscheidung von im Rauchgas enthaltenen Flüssigkeitstropfen dient. Wie in 1 gezeigt ist (gestrichelte Linie), ist der Tropfenabscheidebereich 40 so ausgebildet, dass die dort aus dem Rauchgas abgeschiedene Flüssigkeit ebenfalls in den Sammelbehälter 23 geführt wird. Nach dem Durchströmen des Tropfenabscheidebereichs 40 strömt das Rauchgas durch Rauchgasauslass 25 aus der Wärmetauschereinrichtung 10.
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Der schematisch dargestellte Rauchgaswärmetauscher 10 weist eine Überströmleitung 36 auf, durch welche das Rauchgas aus dem oberen Abschnitt des ersten Durchgangsbereichs 22 in den oberen Abschnitt des zweiten Durchgangsbereichs 24 oberhalb der Wärmetauschereinrichtung 30 führbar ist. Zum öffnen und Schließen der Überströmleitung 36 sind Überströmklappen 37 vorgesehen, mittels welchen das Rauchgas durch die Überströmleitung 36 leitbar ist.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den beispielhaften Rauchgaswärmetauscher 10 aus 1, bei welchem die obere Abdeckung nicht dargestellt ist. Die gleichen Elemente sind entsprechend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das Rauchgas strömt durch den Rauchgaseinlass 21 und die Vorabscheideeinrichtung 19 in den ersten Durchgangsbereich 22 des Rauchgaswärmetauschers 10. Im ersten Durchgangsbereich 22 ist eine Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung 26 mit drei Reinigungsflüssigkeit-Einsprühdüsen 27 angeordnet. Ebenfalls schematisch ist die Verteilung der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit im Durchgangsbereich mittels eines gestrichelten Kreises angedeutet. Ferner ist im ersten Durchgangsbereich 22 in 2 die Querschnittsverengungseinrichtung 28 erkennbar.
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Das Rauchgas strömt durch den ersten Durchgangsbereich 22 durch die Querschnittsverengungseinrichtung 28 nach unten und über den in 2 nicht sichtbaren Sammelbehälter 23 in den zweiten Durchgangsbereich 24. In 2 ist die Wärmetauschereinrichtung 30 mit fünf Rauchgasdurchgängen 31 dargestellt. Oberhalb der Wärmetauschereinrichtung ist die zweite Reinigungsflüssigkeit-Einsprüheinrichtung 46 mit fünf Reinigungsflüssigkeit-Einsprühdüsen 47 dargestellt sowie ebenfalls schematisch ist die Verteilung der eingesprühten Reinigungsflüssigkeit mittels gestrichelten Kreisen angedeutet.
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In 2 ist ferner eine Überströmleitung 36 dargestellt, durch welche das Rauchgas aus dem ersten Durchgangsbereich 22 in den zweiten Durchgangsbereich 24 führbar ist, um wie in 1 gezeigt die oberen Abschnitte der Durchgangsbereiche 22 und 24 zu verbinden und so eine ”Bypass”-Leitung zur Umgehung der Wärmetauschereinrichtung 30 herzustellen. Die Überströmklappen 37 dienen zum Öffnen und Schließen der Überströmleitung 36 um das Rauchgas entweder durch die Wärmetauschereinrichtung 30 oder durch die Überströmleitung 36 zu leiten.
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Aus dem zweiten Durchgangsbereich 24 strömt das Rauchgas durch den Tropfenabscheidebereich 40, in welchem eine Tropfenabscheideeinrichtung 41 angeordnet ist, um im Rauchgas verbliebene Flüssigkeitstropfen abzuscheiden. Die hier schematisch dargestellte beispielhafte Tropfenabscheideeinrichtung weist nebeneinander angeordnete wellenförmige Lamellen mit nicht dargestellten Abscheidekanten auf, an welchen sich die Feuchtigkeit sammelt und in Richtung des Sammelbehälters 23 abfließt. Nach dem Durchströmen des Tropfenabscheidebereichs 40 strömt das Rauchgas schließlich durch den Rauchgasauslass 25 aus der Wärmetauschereinrichtung 10.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des beispielhaften Rauchgaswärmetauschers 10 aus 1 mit einer anderen beispielhaften Querschnittsverengungseinrichtung 38. Die gleichen Elemente sind entsprechend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der erste Durchgangsbereich 22 weist einen rechtwinklig ausgebildeten Querschnitt auf. Die Querschnittsverengungseinrichtung 38 wird von abgewinkelten Blechen gebildet. Die Bleche erstrecken sich über die gesamte Breite des ersten Durchgangsbereichs 22 und sind so ausgebildet, dass diese jeweils geneigt von der Wandung des Durchgangsbereichs 22 weg aufeinander zu verlaufen und von dem Bereich der Abwinklung 39, an dem sich die Bleche am nächsten kommen, wieder in Richtung zur Wandung hin verlaufen. An der engsten Stelle verengen die Bleche der Querschnittsverengungseinrichtung 38, den Querschnitt des ersten Durchgangsbereichs 22 etwa im Verhältnis 1:20. Im Bereich der Abwinklung 39 und damit an der Stelle, welche den geringsten Öffnungsquerschnitt der Querschnittsverengungseinrichtung 38 darstellt und an welchem damit die Strömung des Rauchgases die höchste Strömungsgeschwindigkeit aufweist, weisen die Bleche zur Führung der Strömung einen Radius auf. Auch die in 3 dargestellte Querschnittsverengungseinrichtung 38 arbeitet damit nach dem Venturi-Prinzip. Insbesondere durch die Expansion und auch durch die damit verbundene Verwirbelung des Rauchgases nach dem Durchtritt der Querschnittsverengung bilden sich Tropfen der Reinigungsflüssigkeit aus, in welchen Feststoffpartikel aus dem Rauchgas gebunden sind. Diese Flüssigkeitstropfen werden beim Rauchgaswärmetauscher 10 einerseits durch die Schwerkraft und zusätzlich durch die Strömungsumlenkung des Rauchgasstroms beim Austritt aus dem ersten Durchgangsbereich aus dem Rauchgasstrom ausgeschieden und vom Sammelbehälter 23 aufgenommen.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des beispielhaften Rauchgaswärmetauschers 10 aus 3, bei welchem die obere Abdeckung nicht dargestellt ist. In dieser Darstellung sind die Abmessungen des Querschnitts des ersten Durchgangsbereichs 22 im Verhältnis zu den Abmessungen des Querschnitts im Bereich der größten Verengung durch die Querschnittsverengungseinrichtung 38 erkennbar.
