DE10324058B4

DE10324058B4 - Wärmetauscher sowie Heizkraftanlage

Info

Publication number: DE10324058B4
Application number: DE2003124058
Authority: DE
Inventors: René NIESNER; Aldo Piacentini
Original assignee: GMK Gesellschaft fuer Motoren und Kraftanlagen mbH
Current assignee: GMK Gesellschaft fuer Motoren und Kraftanlagen mbH
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: DE10324058A1

Abstract

Wärmetauscher für eine Heizkraftanlage, insbesondere für eine Biomasse-Heizkraftanlage, durch den erhitzte Rauchgase (R) aus dem Feuerraum (14) der Heizkraftanlage (10) zur Wärmeabgabe hindurchzuleiten sind, mit
einem Wärmetauscherkessel (44), an dem ein Rauchgaseinlass (50) und ein Rauchgasauslass (64) vorgesehen sind, und
einer Wendekammer (62) am Boden (48) des Wärmetauscherkessels (44) zum Umlenken der durch den Wärmetauscherkessel (44) zur Wärmeabgabe hindurchströmenden Rauchgase (R) in Richtung des Rauchgasauslasses (64),
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Wendekammer (62) eine Verwirbelungseinrichtung (66) zum Erzeugen eines quer zur Strömungsrichtung der Rauchgase (R) in der Wendekammer (62) gerichteten Gasstromes zum Aufwirbeln der dort abgelagerten Staubschichten vorgesehen ist, wobei die Verwirbelungseinrichtung (66) das Gas intermittierend mit einem Druck von bis zu 35 bar in die Wendekammer (62) einbläst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine Heizkraftanlage, insbesondere für eine Biomasse-Heizkraftanlage, durch den erhitzte Rauchgase zur Wärmeabgabe hindurchzuleiten sind. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Heizkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 mit einem derartigen Wärmetauscher.
Die derzeit üblichen Heizkraftanlagen, in denen insbesondere Biomasse zur Wärmeerzeugung verbrannt wird, sind im wesentlichen aus einem Feuer- oder Verbrennungsraum, in dem die Biomasse verbrannt wird, einem mit dem Feuerraum in Strömungsverbindung stehenden Wärmetauscher, durch den die erhitzten Rauchgase aus dem Feuerraum zur Wärmeabgabe hindurchgeleitet werden, sowie einer sich an den Wärmetauscher anschließenden Rauchgasaufbereitung gebildet, mit der in den Rauchgasen enthaltene Ruß- und Staubpartikel beispielsweise mit Hilfe von Abgaszyklonen und Filtern aus den Rauchgasen entfernt werden.
Da sich der Wärmetauscher bei diesen bekannten Heizkraftanlagen in Strömungsrichtung der Rauchgase gesehen üblicherweise unmittelbar an den Feuerraum anschließt, werden die Rauchgase ungereinigt durch den Wärmetauscher geleitet, so dass großen Mengen an Ruß- und Staubpartikeln in den Wärmetauscher eingebracht werden.
Um eine möglichst große Wärmemenge aus den Rauchgasen abzuführen, werden die Rauchgase im Wärmetauscher jedoch mehrfach umgeleitet, damit die Rauchgase beim Durchströmen des Wärmetauschers eine möglichst große Oberfläche im Wärmetauscher überstreichen, an der die Rauchgase ihre gespeicherte Wärme an den Wärmetauscher abgeben können. Durch das mehrfache Umlenken und das Abkühlen der Rauchgase sammeln sich die im Rauchgas enthaltenen Ruß- und Staubpartikel in der sogenannten Wendekammer am Boden das Wärmetauschers, in der der Rauchgasstrom in Richtung des Rauchgasauslasses schließlich umgelenkt wird, durch welchen die Rauchgase aus dem Wärmetauscher der Rauchgasaufbereitung zugeführt werden.
Als Folge lagern sich in der Wendekammer des Wärmetauschers die größeren und schweren Ruß- und Staubpartikel ab, die durch die immer noch verhältnismäßig warmen Rauchgase und durch mechanische Einflüsse, wie ein Pulsieren des Rauchgasstromes, zusätzlich miteinander verbacken werden und eine schlackeartige, amorphe Staubschicht mit erheblicher Festigkeit in der Wendekammer bilden. Das Ablagern von Ruß- und Staubpartikeln wird zusätzlich erhöht, wenn die Anlage nur im Teillastbetrieb gefahren wird, da die Strömungsgeschwindigkeiten und der Volumenstrom der Rauchgase durch den Wärmetauscher verringert sind.
Die zunehmenden Ablagerungen verringern den Strömungsquerschnitt in der Wendekammer, wodurch der Strömungswiderstand der Rauchgase im gesamten Saugzugsystem der Heizkraftanlage zunimmt. Durch die Zunahme des Strömungswiderstandes nimmt wiederum die für das Absaugen der Rauchgase aus dem Feuerraum erforderliche Energie zu. Gleichzeitig wird der Wärmeübertragungskoeffizient im Wärmetauscher verschlechtert, so dass die Rauchgase im Wärmetauscher nicht ausreichend abgekühlt werden, was zu einem gegebenenfalls kritischen Anstieg der Abgastemperatur führen kann.
Während des Betriebes der Heizkraftanlage ist es nicht möglich, die Ruß- und Staubablagerungen aus der Wendekammer zu entfernen, da die Rauchgase und die Ablagerungen bei Betrieb an dieser Stelle in der Wendekammer noch Temperaturen von 450°C bis 550°C aufweisen. Deshalb werden die genannten Ruß- und Staubablagerungen üblicherweise während der Wartungszeit der Heizkraftanlage ein bis zwei Mal im Jahr entfernt. Dazu dienen seitlich angebrachte Türen oder Klappen am Wärmetauscherkessel, die geöffnet werden können. Die Ablagerungen werden mit Brechwerkzeugen und Schaufel manuell entfernt.
Wenn jedoch kostengünstige Brennstoffe mit hohem inerten Anteilen eingesetzt werden, wie beispielsweise Rinde, Abbruchholz oder Heckenschnitt, verschmutzt die Wendekam mer erheblich schneller. In diesem Fall muss die gesamte Heizkraftanlage vier bis fünf Mal im Jahr mit erheblichem Aufwand außer Betrieb genommen werden. Des weiteren ist die Festigkeit der oben genannten, zusammengebackenen, schlackeartigen, amorphen Schicht erheblich höher, so dass sich die Schicht manuell nur sehr schwer entfernen läßt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher für eine Heizkraftanlage bzw. eine Heizkraftanlage mit einem derartigen Wärmetauscher anzugeben, der bzw. bei der der Wärmetauscher auf einfache Weise von Ruß- und Staubpartikeln während des Betriebes der Heizkraftanlage zu reinigen ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher, der die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweisen, gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Wendekammer (62) eine Verwirbelungseinrichtung (66) zum Erzeugen eines quer zur Strömungsrichtung der Rauchgase (R) in der Wendekammer (62) gerichteten Gasstromes zum Aufwirbeln der dort abgelagerten Staubschichten vorgesehen ist wobei die Verwirbelungseinrichtung (66) das Gas intermittierend mit einem Druck von bis zu 35 bar in die Wendekammer (62) einbläst.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Heizkraftanlage gemäß Anspruch 12 gelöst, die mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ausgestattet ist.
Beim Durchströmen der Wärmetauscher bilden die Rauchgasströme im Wärmetauscher und insbesondere auch in der Wendekammer selbständig Strömungspassagen aus, entlang denen die Rauchgase etwa mit gleichbleibender, hoher Geschwindigkeit bevorzugt entlangströmen. Durch das Umlenken der Rauchgasströme, verursacht durch Massenträgheit, werden in den Rauchgasströmen enthaltene Ruß- und Staubpartikel aus diesen sich ausbildenden Strömungspassagen gedrängt und sammeln sich, auch auf Grund der Schwerkraft, in der Wendekammer am Boden des Wärmetauschers.
Mit Hilfe der in der Wendekammer erfindungsgemäß vorgesehenen Verwirbelungseinrichtung werden intermittierend Gasströme in die Rauchgasströme eingeblasen, die zu Verwirbelungen in den Rauchströmen führen. Durch die Verwirbelungen werden die Strömungspassagen, die sich bei einem ungestörten Hindurchströmen der Rauchgase durch den Wärmetauscher selbständig ausbilden, gestört, teilweise unterbrochen oder umgelenkt, so dass die mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten durch den Wärmetauscher strömenden Rauchgase in Bereiche der Wendekammer gelangen und durch diese hindurchströmen, in denen sich die zuvor aus den Rauchgasen abgeschiedenen Ruß- und Staubpartikel gesammelt haben. Dabei werden die Ruß- und Staubpartikel durch die mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmenden Rauchgase mitgerissen und von den Rauchgasen aus dem Wärmetauscher zur Rauchgasaufbereitung abgeführt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verwirbelungseinrichtung werden somit die Rauchgasströme im Wärmetauscher gezielt gestört und umgelenkt, um Ruß- und Staubpartikel, die sich zuvor aus den Rauchgasen abgelagert haben, von den Rauchgasströmen mitreißen zu lassen.
Die Gasströme aus der Verwirbelungseinrichtung, die gegen die Innenwand des Wärmetauscherkessels gerichtet sind, bilden ferner Gasströme am Boden des Wärmetauscherkessels aus, welche gleichzeitig die sich am Boden sammelnden Ruß- und Staubpartikel aufwirbeln und so dem durch den Wärmetauscher hindurchströmenden Rauchgasen zusätzlich zum Abtransport zuführen. Hierdurch kann erfindungsgemäß mit vergleichsweise geringem Aufwand unter Zuhilfenahme der Rauchgasströme durch den Wärmetauscher die Wendekammer während des laufenden Betriebes der Heizkraftanlage gereinigt werden, wodurch sich insbesondere bei mit Biomasse betriebenen Heizkraftanlagen deren Wartungsintervalle verlängern lassen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwirbelungseinrichtung besteht darin, dass diese aufgrund ihres verhältnismäßig einfachen Aufbaus problemlos auch nachträglich zum Nachrüsten von Wärmetauschern in bereits bestehende Heizkraftanlagen eingebaut werden kann.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Unteransprüchen.
So wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers vorgeschlagen, dass die Verwirbelungseinrichtung als Gas Druckluft mit einem Druck von bis zu 35 bar von unten in die Wendekammer intermittierend einbläst. Durch diesen verglichen mit dem durch die Rauchgase verursachten Strömungsdruck hohen Druck, mit dem das Gas in die Wendekammer eingeblasen wird, wird sichergestellt, dass die Rauchgase aus ihren Strömungspassagen abgelenkt werden. Das Einblasen des unter Druck stehenden Gases in die Wendekammer erfolgt erfindungsgemäß in intermittierender Weise, so dass durch die dabei entstehenden Druckimpulse Ablagerungen, wie Flugasche, Ruß und Staub, aufgewirbelt und diese mit dem Rauchgasstrom in die Rauchgasaufbereitung auszutragen werden. Hierdurch wird ein Verfestigen der Ablagerungen in der Wendekammer gezielt verhindert.
Um ein Zusetzen der Verwirbelungseinrichtung zu vermeiden, wird ferner vorgeschlagen, an der Verwirbelungseinrichtung bei intermittierendem Betrieb immer einen Mindestüberdruck von 0,2 bis 1 bar gegenüber dem in der Wendekammer herrschenden Druck anzulegen und den Druck in der Verwirbelungseinrichtung periodisch auf den Maximalwert von beispielsweise 35 bar anzuheben.
Als Verwirbelungseinrichtung wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ein Düsenring eingesetzt, der konzentrisch zur Hauptströmungsrichtung der Rauchgase in der Wendekammer angeordnet ist, wodurch eine maximale Wirkung beim Verwirbeln der Rauchgase in der Wendekammer erreicht wird.
Der Düsenring hat bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung eine Vielzahl gleichmäßig über seine Umlaufrichtung verteilt angeordnete Düsen, wobei die Ausströmrichtungen der Düsen vorzugsweise unter einem Winkel von –30° bis +30° geneigt zu der vom Düsenring aufgespannten Ebene verlaufen. Ferner wird bei einer Weiterbildung des Düsenrings alternativ oder ergänzend vorgeschlagen, den Düsenring über seinen Querschnitt betrachtet mit einer Vielzahl gleichmäßig zueinander beabstandeter Düsen zu versehen.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Düsen am Düsenring sowie die bevorzugte, geneigte Anordnung der Düsen wird das Gas in definierten Richtungen in die Wendekammer eingeblasen, um eine größtmögliche Wirkung beim gezielten Stören der Rauchgasströme in der Wendekammer zu erreichen. Hierzu ist jedoch zu bemerken, dass eine optimale Anordnung der Düsen unter anderem von der relativen Lage des Düsenrings in der Wendekammer, von der Geometrie der Wendekammer, dem ungestörten Strömungsverlauf der Rauchgase in der Wendekammer oder auch von den Strömungsgeschwindigkeiten der Rauchgase in der Wendekammer abhängt, so dass gegebenenfalls auch durch größere Neigungswinkel der Düsen oder eine ungleichmäßige Verteilung der Düsen am Düsenring die gewünschte maximale Wirkung bei der Störung der Rauchgasströme erst erreicht wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden die Rauchgase im sogenannten Gegenstromprinzip durch den Wärmetauscherkessel geleitet, um hierdurch eine maximale Wärmeabgabe an den Wärmetauscher zu erreichen. Zu diesem Zweck sind im Wärmetauscherkessel eine rohrförmige erste Wärmetauschereinheit und eine in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen nachfolgende rohrförmige zweite Wärmetauschereinheit angeordnet. Die zweite Wärmetauschereinheit ist an der Innenseite des Wärmetauscherkessels, vorzugsweise am Deckel, befestigt und endet mit ihrem offenen Austrittsende mit Abstand zum Boden des Wärmetauscherkessels in der Wendekammer. Die erste Wärmetauschereinheit ist konzentrisch zur zweiten Wärmetauschereinheit angeordnet und ragt durch den Boden des Wärmetauscherkessels in die zweite Wärmetauschereinheit soweit hinein, dass ihr offenes Austrittsende mit geringem Abstand zur Innenseite bzw. zum Deckel des Wärmetauscherkessels endet. Durch diese Anordnung werden die in den Wärmetauscherkessel einströmenden Rauchgase zunächst durch die rohrförmige erste Wärmetauschereinheit geleitet, an die sie einen Teil ihrer gespeicherten Wärme abgeben. Am Austrittsende der ersten Wärmetauschereinheit werden die Rauchgase um 180° umgelenkt und strömen durch den Spalt zwischen den zwei ineinander angeordneten Wärmetauschereinheiten in Richtung Boden des Wärmetauscherkessel, wobei die Rauchgase ihre Wärme an die Außenseite der ersten Wärmetauschereinheit und gleichzeitig an die Innenseite der zweiten Wärmetauschereinheit abgeben. Anschließend treten die Rauchgase aus der zweiten Wärmetauschereinheit aus, strömen in die Wendekammer, in der sie erneut um 180° umgelenkt werden, und strömen an der Außenseite der Wärmetauscheinheit in Richtung des Rauchgasauslasses.
Bei diesem zweiten Umlenken der Rauchgase in der Wendekammer können die Rauchgase von der Verwirbelungseinrichtung zum Aufwirbeln der Ruß- und Staubpartikel, die sich in der Wirbelkammer abgelagert haben, gezielt in Richtung Boden des Wärmetauscherkessels umgelenkt werden, wenn die Verwirbelungseinrichtung konzentrisch zur zweiten Wärmetauschereinheit um die erste Wärmetauschereinheit herum angeordnet ist.
Die Wärmetauschereinheiten weisen vorzugsweise mindestens ein Rohrleitungssystem auf, durch das ein wärmetransportierendes Medium, vorzugsweise ein Thermoöl, zum Abführen der Wärme aus dem Wärmetauscher hindurchströmt. Die Wärmetauschereinheit ist hierzu besonders bevorzugt aus mindestens einem spiralförmig gewundenen Rohr gebildet, durch das das wärmetransportierende Medium zu fördern ist, wobei die aneinander anliegenden Spiralen des Rohres weitgehend gasdicht miteinander verbunden sind und so einen gewickelten Rohrzylinder bilden.
Um Ablagerungen an den Innen- und Außenseiten der Wärmetauschereinheiten zu beseitigen, wird ferner vorgeschlagen, die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die mit Wärmetauschereinheiten ausgestattet sind, mit einer Blaseinrichtung zu versehen, welche mehrere in den Wärmetauscherkessel hineinragende Blaslanzen aufweist, die unmittelbar benachbart zu den Wärmetauschereinheiten verlaufen und zum gleichfalls intermittierenden Einblasen von unter Druck stehendem Gas, vorzugsweise Druckluft, entlang zumindest eines Teils der Oberfläche der Wärmetauschereinheiten dienen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Heizkraftanlage, insbesondere eine Biomasse-Heizkraftanlage, die einen Feuerraum, einen mit seinem Rauchgaseinlass mit dem Feuerraum in Strömungsverbindung stehenden Wärmetauscher sowie eine an den Rauchgasauslass des Wärmetauschers angeschlossene Rauchgasaufbereitungsanlage zum Herausfiltern der im Rauchgas enthaltenen Ruß- und Staubpartikel aufweist. Der Wärmetauscher ist bei der erfindungsgemäßen Heizkraftanlage entsprechend einer der zuvor beschrieben Ausführungsformen ausgebildet. Das Aufwirbeln der abgelagerten Partikel erfolgt vorzugsweise während der Vollastleistung der Heizkraftanlage, da in dieser Betriebsphase besonders große Volumenströme an Rauchgasen mit hohen Geschwindigkeiten durch die Wendekammer gezogen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im Detail erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematischer Darstellung einer Heizkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher und
2 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
1 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Heizkraftanlage 10 mit einer Leistung von 100 kW zum Verbrennen von Biomasse 12, wie Holzresten, Rinde, Abbruchholz oder Heckenschnitt.
Die Heizkraftanlage 10 weist einen Feuerraum 14 auf, in dem ein Feuerrost 16 angeordnet ist, auf dem die Biomasse 12 verbrannt wird. Unter dem Feuerrost 16 ist im Feuerraum ein Fördersystem 18 vorgesehen, mit dem die durch den Feuerrost 16 fallenden festen Verbrennungsprodukte, wie Asche, Schlacke und unverbrannte Reste der Biomasse 12, in einen Entsorgungsbehälter 20 gefördert werden.
Auf dem Feuerraum 14 ist ein Wärmetauscher 22 montiert, der mit dem Feuerraum 14 in Strömungsverbindung steht und durch den die erhitzten Rauchgase R zur Wärmeabgabe gefördert werden, wie später noch erläutert wird. Die Rauchgase R werden nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers 22 durch eine erste Abgasleitung 24 einer Rauchgasaufbereitung 26 zugeführt.
Die Rauchgasaufbereitung 26 hat einen Abgaszyklon 28, in dem in den Rauchgasen R enthaltene grobe Ruß- und Staubpartikel aus den Rauchgasen R entfernt werden. Die im Abgaszyklon 28 aus den Rauchgasen entfernten Ruß- und Staubpartikel werden mit Hilfe eines Fördersystems 30 gleichfalls in den Entsorgungsbehälter 20 gefördert.
Anschließend werden die Rauchgase R über eine zweite Abgasleitung 32 in eine Filtereinrichtung 34 der Rauchgasaufbereitung 26 geleitet, in der in den Rauchgasen R noch enthaltene feine und feinste Ruß- und Staubpartikel sowie Schwebstoffe aus den Rauchgasen R gefiltert und umweltschädliche Verbrennungsprodukte mit Hilfe von Katalysatoren (nicht dargestellt) in unschädliche Verbrennungsprodukte, wie Wasser, Kohlendioxid und ähnliche Verbindungen, umgewandelt werden. Auch die Filtereinrichtung 34 ist mit einem Fördersystem 36 für die ausgefilterten Ruß- und Staubpartikel versehen, mit dem diese in den Entsorgungsbehälter 20 aus der Filtereinrichtung 34 gefördert werden.
Die Filtereinrichtung 34 steht über eine dritte Abgasleitung 38 mit einem Saugzuggebläse 40 in Strömungsverbindung, mit dem die Rauchgase R aus der Feuerkammer 14 durch den Wärmetauscher 22, den Abgaszyklon 28 und die Filtereinrichtung 34 abgesaugt werden. Das Saugzuggebläse 40 der Heizkraftanlage 10 ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in der Lage, etwa 70.000 m³ Rauchgase R pro Stunde aus dem Feuerraum 14 abzusaugen.
Die vom Saugzuggebläse 40 abgesaugten gefilterten Rauchgase R werden anschließend einem Schornstein 42 zugeführt, der die aufbereiteten Rauchgase R an die Umgebung abgibt.
In 2 ist in schematischer Schnittansicht der Wärmetauscher 22 dargestellt. Der Wärmetauscher 22 hat einen nach außen hin wärmeisolierten Wärmetauscherkessel 44. An der Unterseite des Wärmetauscherkessel 44 ist ein Anschlußflansch 46 verschweißt, mit dem der Wärmetauscher 22 an der Oberseite des Feuerraumes 14 befestigt ist, so dass die aufsteigenden erhitzten Rauchgase R aus dem Feuerraum 14 durch den Anschlußflansch 46 in den Wärmetauscher 22 einströmen können.
Am Boden 48 des Wärmetauscherkessels 44 ist der eigentliche Rauchgaseinlass 50 ausgebildet, durch den die Rauchgase R in den Wärmetauscherkessel 44 einströmen. In den Rauchgaseinlass 50 ist eine rohrzylinderförmige erste Wärmetauschereinheit 52 eingesetzt, die aus einem spiralförmig gewunden Rohr 54 gebildet ist, durch welches als wärmeabführendes Medium ein Thermoöl kontinuierlich gefördert wird. Die erste Wärmetauschereinheit 52 ist so in den Wärmetauscherkessel 44 eingesetzt, dass sie bei montiertem Wärmetauscher 22 senkrecht verläuft, mit ihrem unteren Eintrittsende nach unten in den vom Anschlußflansch 46 umschlossenen Bereich und mit ihrem oberen Austrittsende nach oben in den Wärmetauscherkessel 44 ragt. Das Austrittsende der ersten Wärmetauschereinheit 52 ist dabei mit Abstand zum Deckel 56 angeordnet, mit dem Wärmetauscherkessel 44 an seiner Oberseite verschlossen ist.
Von der Unterseite des Deckels 56 steht eine zweite rohrzylinderförmige Wärmetauschereinheit 58 senkrecht nach unten in den Wärmetauscherkessel 44 ab, die wie die erste Wärmetauschereinheit 52 gleichfalls aus einem spiralförmig gewunden Rohr 60 gebildet ist, jedoch einen größeren Innendurchmesser hat, so dass die beiden Wärmetauschereinheiten 52 und 58 im Wärmetauscherkessel 44 konzentrisch zueinander angeordnet sein können. Die zweite Wärmetauschereinheit 58 endet mit Abstand zum Boden 48, wobei der punktierte Bereich zwischen dem Austrittsende der zweiten Wärmetauschereinheit 58 und dem Boden 48 eine sogenannte Wendekammer 62 definiert.
Durch diese Art der Anordnung werden die in den Wärmetauscherkessel 44 einströmenden Rauchgase R zunächst durch die rohrförmige erste Wärmetauschereinheit 52 geleitet, an deren Innenwand sie einen Teil ihrer gespeicherten Wärme abgeben. Am Austrittsende der ersten Wärmetauschereinheit 52 werden die Rauchgase um 180° umgelenkt und strömen durch den Spalt zwischen den zwei ineinander angeordneten Wärmetauschereinheiten 52 und 58 in Richtung Boden 56 des Wärmetauscherkessel 44. Dabei gegeben die Rauchgase R ihre Wärme an die Außenseite der ersten Wärmetauschereinheit 52 und gleichzeitig an die Innenseite der zweiten Wärmetauschereinheit 58 ab. Anschließend treten die Rauchgase R aus der zweiten Wärmetauschereinheit 58 aus, strömen in die Wendekammer 62, in der sie erneut um 180° umgelenkt werden, und strömen an der Außenseite der Wärmetauscheinheit 58 nach oben in Richtung des Rauchgasauslasses 64, wobei sie einen Teil der gespeicherten Restwärme an die zweite Wärmetauschereinheit 58 abgeben.
In der Wendekammer 62 ist eine Verwirbelungseinrichtung 66 vorgesehen, die einen Düsenring 68 aufweist, welcher konzentrisch um die erste Wärmetauschereinheit 52 sowie konzentrisch zum Austrittsende der zweiten Wärmetauschereinheit 58 in der Wendekammer 62 angeordnet ist. Der Düsenring 68 hat eine Vielzahl sowohl in seiner Umlaufrichtung als auch um seinen Umfang gleichmäßig verteilte Düsen (nicht dargestellt), welche bezogen auf die vom Düsenring 68 aufgespannte Ebene in einem Bereich von –30° bis 30° geneigt verlaufen, so dass die Düsen in unterschiedliche Richtungen in die Wendekammer 62 einblasen.
Der Düsenring 68 ist mit einer Druckluftversorgung verbunden, durch die im Düsenring 68 immer ein Mindestüberdruck von etwa 0,2 bis 1 bar bezogen auf den in der Wendekammer 62 herrschenden Druck anliegt, um sicherzustellen, dass die Düsen des Düsenrings 68 nicht verschmutzen. Entsprechend einem vorgegebenen Steuerrhythmus wird der Düsenring 68 von der Druckluftversorgung intermittierend mit Druckluft mit einem Druck von etwa 30 bar versorgt, so dass Druckluft mit hohem Druck in die Wendekammer 62 eingeblasen wird, wodurch folgendes erreicht werden soll.
Wie zuvor bereits erläutert, werden die Rauchgase R mit Hilfe des Saugzuggebläses 40 aus dem Feuerraum 14 abgesaugt. Dabei bilden sich im Wärmetauscher 22 und insbesondere in der Wendekammer 62 selbständig Strömungspassagen aus, entlang denen die Rauchgase R bevorzugt entlangströmen. Insbesondere durch das Umlenken der Rauchgase R in der Wendekammer 62 werden Ruß- und Staubpartikel, die von den Rauchgasen R mitgerissen werden aufgrund ihrer Massenträgheit aus diesen Strömungspassagen ausgetragen und sammeln sich aufgrund der Schwerkraft am Boden 48 in der Wendekammer 62.
Durch das intermittierende Einblasen der Druckluft mit Hilfe des konzentrisch zum Austrittsende der zweiten Wärmetauschereinheit 58 angeordneten Düsenrings 68 wird erreicht, dass die eingeblasene Druckluft die Strömungspassagen stört und die Rauchgase R unter anderem in Richtung Boden 48 der Wendekammer 62 abgelenkt werden. Dabei werden die Ruß- und Staubpartikel, die sich am Boden 48 der Wendekammer 62 gesammelt haben, von den mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmenden, umgelenkten Rauchgasen R aufgewirbelt und von diesen mitgerissen und aus dem Wärmetauscher 22 gefördert. Gleichzeitig bewirken die Düsen des Düsenrings 68, die nicht entgegen der Strömungsrichtungen der Rauchgase R, sondern stattdessen in Richtung des Bodens 48 Druckluft ausblasen, ein zusätzliches Aufwirbeln der Ruß- und Staubpartikel in der Wendekammer 62. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Heizkraftanlage 10 nur im Teillastbetrieb gefahren wird, bei dem die Rauchgase R mit geringerer Strömungsgeschwindigkeiten als bei Vollastbetrieb aus den Feuerraum 14 abgesaugt werden.
Sollten sich trotz der Verwirbelungseinrichtung 66 in der Wendekammer 62 Ruß- und Staubpartikel sammeln, können diese durch eine auf Höhe der Wendekammer 62 an dem Wärmetauscherkessel 44 vorgesehene Revisionsöffnung 70 aus der Wendekammer 62 entfernt werden.
Um an den spiralförmig gewundenen Rohren der Wärmetauschereinheiten 52 und 58 anhaftende Ruß- und Staubpartikel gleichfalls während des Betriebes der Heizkraftanlage 10 entfernen zu können, ist am Deckel 56 des Wärmetauscherkessels 44 zusätzlich eine Blaseinrichtung 72 gehalten. Die Blaseinrichtung 72 ist gleichfalls konzentrisch zu den beiden Wärmetauschereinheiten 52 und 58 angeordnet und hat mehrere in den Wärme tauscherkessel 44 hineinragende Blaslanzen 74, welche unabhängig voneinander mit Ventilen 76 ansteuerbar sind. Die Blaslanzen 74 verlaufen etwa parallel zu den inneren und äußeren Mantelflächen der Wärmetauschereinheiten 52 und 58 und sind mit geringem Abstand zu diesen angeordnet. Um an den Mantelflächen anhaftende Ruß- und Staubpartikel zu entfernen, wird durch die Blaslanzen 74 Druckluft mit einem Druck von beispielsweise 30 bar in den Wärmetauscherkessel 44 eingeblasen, welche an den Mantelflächen der Wärmetauschereinheiten 52 und 58 entlangströmt und diese dabei reinigt.
Das zuvor beschrieben Ausführungsbeispiel stellt nur eine der möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 22 dar. So ist es beispielsweise auch denkbar, anstelle eines Düsenrings, der mit Abstand zum Boden 56 in der Wendekammer 52 angeordnet ist, unmittelbar am Mantel des Wärmetauscherkessels 44 und/oder an dessen Boden 56 mehrere Düsen als Verwirbelungseinrichtung vorzusehen, die in die Wendekammer 62 hineinragen, um den gewünschten Verwirbelungseffekte zu erzielen.

10: Heizkraftanlage
12: Biomasse
14: Feuerraum
16: Feuerrost
18: Fördersystem
20: Entsorgungsbehälter
22: Wärmetauscher
24: erste Abgasleitung
26: Rauchgasaufbereitung
28: Abgaszyklon
30: Fördersystem
32: zweites Abgasleitung
34: Filtereinrichtung
36: Fördersystem
38: dritte Abgasleitung
40: Saugzuggebläse
42: Schornstein
44: Wärmetauscherkessel
46: Anschlußflansch
48: Boden
50: Rauchgaseinlass
52: erste Wärmetauschereinheit
54: spiralförmig gewundenes Rohr
56: Deckel
58: zweite Wärmetauschereinheit
60: spiralförmig gewundenes Rohr
62: Wendekammer
64: Rauchgasauslass
66: Verwirbelungseinrichtung
68: Düsenring
70: Revionsöffnung
72: Blaseinrichtung
74: Blaslanzen
76: Ventile

Claims

Wärmetauscher für eine Heizkraftanlage, insbesondere für eine Biomasse-Heizkraftanlage, durch den erhitzte Rauchgase (R) aus dem Feuerraum (14) der Heizkraftanlage (10) zur Wärmeabgabe hindurchzuleiten sind, mit einem Wärmetauscherkessel (44), an dem ein Rauchgaseinlass (50) und ein Rauchgasauslass (64) vorgesehen sind, und einer Wendekammer (62) am Boden (48) des Wärmetauscherkessels (44) zum Umlenken der durch den Wärmetauscherkessel (44) zur Wärmeabgabe hindurchströmenden Rauchgase (R) in Richtung des Rauchgasauslasses (64), dadurch gekennzeichnet, dass in der Wendekammer (62) eine Verwirbelungseinrichtung (66) zum Erzeugen eines quer zur Strömungsrichtung der Rauchgase (R) in der Wendekammer (62) gerichteten Gasstromes zum Aufwirbeln der dort abgelagerten Staubschichten vorgesehen ist, wobei die Verwirbelungseinrichtung (66) das Gas intermittierend mit einem Druck von bis zu 35 bar in die Wendekammer (62) einbläst.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungseinrichtung (66) als Gas Druckluft einbläst.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verwirbelungseinrichtung (66) bei intermittierendem Betrieb immer ein Mindestüberdruck von 0,2 bis 1 bar gegenüber dem in der Wendekammer (62) herrschenden Druck anliegt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungseinrichtung (66) einen Düsenring (68) aufweist, welcher konzentrisch zur Hauptströmungsrichtung der Rauchgase (R) in der Wendekammer (62) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenring (68) eine Vielzahl gleichmäßig über seine Umlaufrichtung verteilt angeordnete Düsen aufweist, wobei die Ausströmrichtungen der Düsen vorzugsweise unter einem Winkel von –30° bis +30° geneigt zu der vom Düsenring (68) aufgespannten Ebene verlaufen.
Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenring (68) über seinen Querschnitt betrachtet eine Vielzahl gleichmäßig zueinander beabstandeter Düsen aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscherkessel (44) eine rohrförmige erste Wärmetauschereinheit (52) und eine in Strömungsrichtung der Rauchgase (R) gesehen rohrförmige zweite Wärmetauschereinheit (58) angeordnet ist, dass die zweite Wärmetauschereinheit (58) unter dem vorzugsweise abnehmbaren Deckel (56) des Wärmetauscherkessels (44) angeordnet ist und mit ihrem offenen Austrittsende mit Abstand zum Boden (48) des Wärmetauscherkessels (44) in der Wendekammer (62) endet und dass die erste Wärmetauschereinheit (52) konzentrisch zur zweiten Wärmetauschereinheit (58) angeordnet durch den Boden (48) des Wärmetauscherkessels (44) in die zweite Wärmetauschereinheit (58) soweit hineinragt, dass ihr offenes Austrittsende mit geringem Abstand zum Deckel (56) des Wärmetauscherkessels (44) endet.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungseinrichtung (66) konzentrisch zur zweiten Wärmetauschereinheit (58) um die erste Wärmetauschereinheit (52) herum angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheiten (52, 58) ein Rohrleitungssystem aufweisen, durch das ein wärmetransportierendes Medium, vorzugsweise ein Thermoöl, zum Abführen der Wärme aus dem Wärmetauscher (22) hindurchströmt.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Wärmetauschereinheiten (52, 58) aus mindestens einem spiralförmig gewundenen Rohr (54, 60) gebildet ist, durch das das wärmetransportierende Medium zu fördern ist, wobei die aneinander anliegenden Spiralen des Rohres (54, 60) weitgehend gasdicht miteinander verbunden sind und so einen gewickelten Rohrzylinder bilden.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Wärmetauscherkessels (44) eine Blaseinrichtung (72) angeordnet ist, die mehrere in den Wärmetauscherkessel (44) hineinragende Blaslanzen (74) aufweist, welche unmittelbar benachbart zu im Wärmetauscherkessel (44) angeordneten Wärmetau schereinheiten (52, 58) verlaufen und zum Einblasen von unter Druck stehendem Gas, vorzugsweise Druckluft, entlang zumindest eines Teils der Oberfläche der Wärmetauschereinheiten (52, 58) dienen.
Heizkraftanlage, insbesondere Biomasse-Heizkraftanlage, mit einem Feuerraum (14), einem mit seinem Rauchgaseinlass (50) mit dem Feuerraum (14) in Strömungsverbindung stehenden Wärmetauscher (22), durch welchen erhitze Rauchgase (R) aus dem Feuerraum (14) zur Wärmeabgabe hindurchzuleiten sind, sowie einer an den Rauchgasauslass (50) des Wärmetauschers (22) angeschlossenen Rauchgasaufbereitung (26) zum Herausfiltern der in den Rauchgasen (R) enthaltenen Ruß- und Staubpartikel, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.