DE1173920B - Umwaelz-Speicherteilchenwaermetauscher fuer zwei gasfoermige Medien - Google Patents

Umwaelz-Speicherteilchenwaermetauscher fuer zwei gasfoermige Medien

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DE1173920B
DE1173920B DES61342A DES0061342A DE1173920B DE 1173920 B DE1173920 B DE 1173920B DE S61342 A DES61342 A DE S61342A DE S0061342 A DES0061342 A DE S0061342A DE 1173920 B DE1173920 B DE 1173920B
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DE
Germany
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heat exchange
zone
exchange zones
zones
intermediate zone
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Application number
DES61342A
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English (en)
Inventor
Dr Hans Sonnenschein
Dr Rudolf Friedrich
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/02Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using granular particles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Umwälz-Speicherteilchenwärmetauscher für zwei gasförmige Medien Die Erfindung bezieht sich auf regenerative Wärmeaustauscher für zwei gasförmige Medien, bei denen der Wärmetausch unter Vermittlung von umgewälzten Speicherteilchen in unter verschiedenen Drücken stehenden Wärmetauschzonen erfolgt.
  • An sich sind derartige regenerative Wärmetauscher, die unter dem Namen »pebble heater« eine gewisse Verbreitung gefunden haben, bekannt. Bei den üblichen einfachen »pebble heatern« durchströmen die gasförmigen Medien die in einer Schicht von beträchtlicher Höhe angeordneten kugelförmigen Speicherteilchen. Es bereitet nun aus verschiedenen Gründen, insbesondere wegen der Führung des Gases und der Speicherteilchen in praktisch vertikaler Richtung große, praktisch kaum zu überwindende Schwierigkeiten, unter Anwendung dieses Bauprinzips derartige Regeneratoren für große Durchsatz- bzw. Gasmengen und kleine, tragbare Druckabfälle auszuführen.
  • Es ist weiter bekanntgeworden, Regeneratoren mit feinkörnigen Speicherteilchen als Wärmeträger, wie z. B. Sand, in der Weise auszubilden, daß eine höhere Speicherteilchensäule durch Einschaltung von Zwischenböden mit Sickerlöchern für die Speicherteilchen unterbrochen ist und das im Wärmetausch stehende Gas quer zur Bewegungsrichtung der Speicherteilchen durch Kanäle zwischen den Zwischenböden und den auf diesen lagernden Speicherteilchenschichten durch die von Zwischenboden zu Zwischenboden rieselnden Speicherteilchenschichten hindurchgeleitet wird. Die beiden Kammern dieser Regeneratoren sind dabei im Hinblick auf die vorhandenen Druckdifferenzen durch eine nach Maßgabe des Leckverlustes bemessene Zwischenzone von Speicherteilchen getrennt.
  • Bei einer derartigen Ausführung kann zwar trotz Anwendung sehr feinkörniger Speicherteilchen der Druckabfall bis zu einem gewissen Grade verringert werden, indessen haben derartige Anordnungen den Nachteil, daß sie wegen der Einschaltung der zahlreichen Zwischenböden sowie der Kanäle für die Führung des Gases und der Speicherteilchen eine verwickelte baulische Gestaltung erfordern. Sie eignen sich infolgedessen ebenfalls für größere Gasmengen nur wenig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wesentlich vereinfachtes Umwälz-Speicherteilchenwärmetauschersystem für gasförmige Medien zu schaffen, das sich bei einfachster Ausbildung durch einen günstigen Wärmetausch, kleinste Druckabfälle sowie geringe Abmessungen auszeichnet und für der. Wärmetausch von großen Gasmengen geeignet ist. Die erfindungsgemäße Lösung geht hierbei von durch nach Maßgabe des Leckverlustes durch eine Zwischenzone von Speicherteilchen getrennten Wärmetauschzonen aus und besteht darin, 1. daß in den beiden gleichsinnig von den Masseteilchen in homogener Strömung durchflossenen Wärmetauschzonen der im Wärmetausch stehende Gasstrom senkrecht zur Bewegungsrichtung der Speicherteilchen durch diese hindurchgeführt wird, 2. in den beiden Wärmetauschzonen die gasförmigen Medien in entgegengesetzter Richtung verlaufen und 3. daß die beiden Wärmetauschzonen (I, 1I) sowie die Zwischenzone (III) und die Überleitungen zwischen den Wärmetauschzonen eine solche Ausbildung aufweisen, daß die Temperaturschichtung der Speicherteilchen in den Wärmetauschzonen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung im Sinne der Herbeiführung eines Wärmetausches nach dem Gegenstromprinzip aufrechterhalten wird.
  • Entscheidend ist demnach für die erfindungsgemäße Anordnung, daß durch die Querströmung des Gases in bezug auf die Massenströmung große Strömungsquerschnitte für das die Speicherteilchenschicht geringer Stärke durchfließende Gas geschaffen werden, was auch bei Anwendung sehr kleiner, die günstigsten Verhältnisse für den Wärmetausch bietender Speicherteilchen eine Herabsetzung des Druckabfalls ermöglicht, und daß gleichzeitig durch die gegensinnige Gasführung in den beiden Wärmetauschzonen in Verbindung mit der Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperaturverteilung in den nacheinander durchströmten Wärmetauschzonen ein Wärmetausch entsprechend dem Gegenstromprinzip trotz der kreuzweisen Führung von Gas- und Speicherteilchenstrom erreicht wird.
  • An sich ist eine Führung von Speicherteilchen in Zwischenzonen gleichbleibender Temperaturschichtung oder in gesonderten Überleitungen für Teilströme verschiedener Temperatur bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kommt es jedoch nicht an sich auf diese Merkmale, sondern lediglich auf die Anwendung in Verbindung mit den übrigen Merkmalen der Erfindung an, um einen Wärmetausch nach dem Gegenstromprinzip möglich zu machen.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Wärmetauscher geschaffen, der in seiner Wirkungsweise den bekannten Wärmetauschern mit rotierender Speicherniasse praktisch gleich ist.
  • An Stelle der rotierenden, scheibenförmigen Speichermasse ist abweichend von der erwähnten bekannten Anordnung ein im Kreislauf in feststehenden Kanälen geführter Strom aus feinkörnigen Speicherteilchen, wie Stahlsand, Quarzsand u. dgl. aetreten, durch welchen in den beiden durch Speicherteilchenschichten getrennten Wärmetauschzonen die gasförmigen Medien senkrecht zur Bewegung der Speicherteilchen hindurchgeführt werden.
  • Wird durch die erfindungsgemäße Lösung ein ebenso günstiger Wärmetausch wie bei den bekannten Wärmetauschern mit rotierenden Speicherschichten erreicht, so hat jedoch die Anordnung nach der Erfindung zur Folge, daß ein rotierendes System mit den bekannten Schwierigkeiten der Abdichtung an den Gaszuführungen bzw. Gasableitungen vermieden ist.
  • Die einfachste Ausbildung für ein Wärmetauschersystem gemäß der Erfindung ergibt sich, wenn in an sich bekannter Weise die beiden übereinander angeordneten Wärmetauschzonen durch eine Zwischenzone von gleichem Querschnitt wie die Wärmetauschzonen verbunden sind.
  • Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung den Querschnitt der zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauschzonen angeordneten Zwischenzone gegenüber Querschnitten der Wärmetauschzonen in bekannter Weise eingeengt auszuführen und an der Zwischenzone Leitwände vorzusehen, die im wesentlichen parallel zu den Kanalwänden verlaufen und deren Ebene senkrecht zur Richtung der Gasströmung steht.
  • Um in möglichst vollkommener Weise die schichtweise Überleitung der aus der unteren Wärmetauschzone austretenden Speicherteilchen in die obere Wärmetauschzone zu ermöglichen, kann weiter eine Unterteilung der überleitkanäle in mehrere Teilkanäle vorgesehen werden, in denen ebenfalls in an sich bekannter Weise gesonderte Fördereinrichtungen für die Speicherteilchen eingeschaltet sind.
  • Die ErfiAdung soll näher an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. In F i g. I bedeutet I eine Wärmetauschzone, welche durch die gasdurchlässigen Wandteile 1 sowie einen Abschluß an den Stirnseiten bildende gasundurchlässigen Wände 2 abgeschlossen ist. Der Wärmetauschzone I wird durch ein Kanalsystem 3 seitlich ein durch den Pfeil 4 angedeuteter Kaltgasstrom zugeführt, der von rechts nach links verläuft. 5 bedeutet den gegenüber dem Kanal 3 angeschlossenen Gasableitkanal, durch welchen das Gas nach Anwärmung in der Zone 1 a CY b.eführt wird. Zur Erwärmung des Gasstromes werden nun der Wärmetauschzone von oben durch den Zulauf 6 feinkörnige Speicherteilchen in Form von Stahlsand oder Quarzsand zugeführt, die unter der Einwirkung der Schwere von oben nach unten strömen. Wie ohne weiteres ersichtlich, wird das kalte Gas, das quer zur Bewegungsrichtung durch die Speicherteilchenschicht hindurchgeführt wird, aufgewärmt. Die durch die Wärmetauschzone 1 geführten Speicherteilchen verlaufen nach dem Durchströmen der Wärmetauschzone I durch eine Zwischenzone III, die allseitig durch dichte Wandteile 7 abgeschlossen ist. An die Zwischenzone 111 schließt sich die Wärmetauschzone 11 an, der die Speicherteilchen von oben aus der Zwischenzone III zuströmen. Die Wärmetauschzone 1I ist wieder genau wie die Wärmetausehzone I an den in Richtung der Schichtstärke die Wärmetauschzone begrenzenden Wänden durch gasdurchlässige Wandteile 1 abgeschlossen, während an den Stirnseiten undurchlässige Wandteile 2 vorhanden sind. 8 und 9 bedeuten wieder Gaszu- und Ableitungskanäle, durch welche in der durch den Pfeil 11 angedeuteten Weise von links nach rechts der Wärmetauschzone 1I ein heißes Gas, beispielsweise das Abgas einer Turbine, zugeführt wird, das beim Durchströmen der Wärmetauschzone 1I die innerhalb derselben befindlichen Speicherteilchen A aufheizt. 12 bedeutet eine den Durchsatz der Speicherteilchen regelnde Einrichtung am Austritt der Speicherteilchen aus der Zone 11, die ermöglicht, eine aus der Zone II austretende regelbare Speicherteilchenmenge in Umleitkanäle 14a bis 14c abzuführen. Durch die Umleitkanäle 14a bis 14c, die mit geeigneten Fördereinrichtungen 15a bis 15c bekannter Art versehen sind, können die Speicherteilchen den Füllrichtern 6 a bis 6 c oberhalb der Wärmetauschzone i wieder zugeführt werden. Statt gesonderter Umleitkanäle 14a bis 14c ist es jedoch unter Umständen auch möglich, einen zusammengefaßten Umleitkanal vorzusehen, durch den die in der Zone 1I aufgeheizten Speicherteilchen der Wärmetauschzone 1 wieder zugeführt werden (vgl. F i g. 2). Die Zwischenzone III weist in Richtung der Speicherteilchenströmung eine größere Länge auf. Durch die Zwischenzone werden die unter verschiedenen Drücken stehenden Wärmetauschzonen getrennt, wobei entsprechend der Länge der Zwischenzone die mögliche Leckströmung gering gehalten wird. In gleicher Weise wird auch der Strömungswiderstand der Umleitkanäle 14 infolge der Länge oder Querschnittsgestaltung so gehalten, daß auch durch diese Kanäle störende Querströmungen zwischen den Wärmetauschzonen I und II ausgeschlossen sind.
  • Die Ausbildung der Zwischenzone, Überleitkanäie und Wärmetauschzonen gibt die Möglichkeit, eine solche Temperaturschichtung in den Wärmetauschzonen 1 und II herbeizuführen, daß sich in Verbindung mit der Gasströmung und Speicherteilchen Strömung in ähnlicher Weise wie bei den rotierenden Speichermassenwärmetauschern ein Wärmetausch nach dem Gegenstromprinzip ergibt. Diese Temperaturverhältnisse sind darauf zurückzuführen, daß die Speicherteilchen im wesentlichen wirbelfrei parallel zu den Wärmetauschzonen I, 1I und die Zwischenzone 111 begrenzenden Wänden 1 bzw. 7 verlaufen und daß durch die getrennten Kanäle 14a bis 14c die Speicherteilchen in der gleichen Temperaturverteilung über den Füllrichter wieder der Zone I zugeführt werden, wie sie der Zone II entnommen sind. Um die Führung der Speicherteilchen in den einzelnen Schichten sicherzustellen, können jedoch unter Umständen auch Zwischenwandteile 16, insbesondere in der Zwischenzone III, vorgesehen sein. Im allgemeinen wird man in den Wärmetauschzonen zur Verringerung des Druckabfalls keine Zwischenteile vorsehen. Jedoch wäre es auch grundsätzlich möglich, innerhalb der Wärmetauschzonen selbst gasdurchlässige Zwischenwandteile vorzusehen, die in diesem Falle ebenso wie die Begrenzungswände 1 aus parallel zueinander in der Strömungsrichtung der Speicherteilchen verlaufenden Gasdurchtrittsschlitze frei lassenden Profilen zusammengesetzt sind.
  • Besonders empfiehlt sich die Anwendung der Zwischenwandkörper 16, wenn in der Zwischenzone III der Strömungsquerschnitt in Richtung der Schichtstärke verändert ist. In F i g. 2 der Zeichnung ist eine Ausbildung eines Wärmetauschers für diesen Fall wiedergegeben. Bei dieser Anordnung werden zweckmäßigerweise zur Überleitung in die Wärmetauschzonen geneigte Führungswandteile 17 an die Zwischenwandteile 16 angeschlossen. F i g. 3 gibt noch eine geänderte Ausführung wieder, bei der der Querschnitt der Zwischenzone senkrecht zur Schichtstärke eingeschnürt ist. Bei einer derartigen Anordnung können unter Umständen Zwischenwandteile in der Zone 111 entfallen, da bei einer entsprechenden Gestaltung des Strömungsquerschnittes auch grundsätzlich die ähnlich der einer zähflüssigen Masse verlaufende Strömung der einzelnen Speicherteilchen nicht gestört wird.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Umwälz-Speicherteilchenwärmetauscher für zwei gasförmige Medien, bei dem zwischen den beiden unter verschiedenem Druck stehenden Wärmetauschzonen eine nach Maßgabe des Leckverlustes bemessene Zwischenzone von Speicherteilchen vorgesehen ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß in den beiden gleichsinnig von den Masseteilchen in homogener Strömung durchflossenen Wärmetauschzonen (I, II) der im Wärmetausch stehende Gasstrom senkrecht zur Bewegungsrichtung der Masseteilchen durch diese hindurchgeführt wird, daß in den beiden Wärmetauschzonen die gasförmigen Medien in entgegengesetzter Richtung verlaufen und daß die beiden Wärmetauschzonen (1, 1I) sowie die Zwischenzone (I11) und die überleitungen zwischen den Wärmetauschzonen eine solche Ausbildung aufweisen, daß die Temperaturschichtung der Speicherteilchen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung im Sinne der Herbeiführung eines Wärmetausches nach dem Gegenstromprinzip aufrechterhalten wird.
  2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen den beiden übereinander angeordneten Wärmetauschzonen eine Zwischenzone (III) von gleichem Querschnitt wie die Wärmetauschzonen vorgesehen ist (F i g. 1).
  3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauschzonen angeordneten Zwischenzone (11I) gegenüber dem Querschnitt der Wärmetauschzonen in an sich bekannter Weise eingeengt ist und in der Zwischenzone Leitwände (16, 17) vorgesehen sind, die im wesentlichen parallel zu den Kanalwänden verlaufen und deren Ebene senkrecht zur Richtung der Gasströmung (4, 11) steht (F i g. 2).
  4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise besondere, zur schichtweisen Überleitung der aus der unteren Wärmetauschzone austretenden Speicherteilchen in die obere Wärmetauschzone dienende überleitkanäle (14) vorgesehen sind, in die in an sich bekannter Weise Fördereinrichtungen (15) eingeschaltet sind (F i g. 1). In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 525197, 21739 aus dem Jahre 1913; USA.-Patentschriften Nr. 2 635 990, 2 530 274.
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Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004019801B4 (de) * 2004-04-23 2011-01-13 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Gas-Sand-Wärmetauscher

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