DE1401704B2 - Wärmetauscher mit in Schüttung aneinanderliegenden wandernden Masseteilchen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bei sung an die Volumenänderung des Gases ent-

dem wenigstens eine Schicht von in Schüttung anein- sprechend dessen Erwärmung oder Abkühlung

andcrlicgenden, als Wärmeträger dienenden, in der verschieden groß ist.

Schicht nach unten wandernden Masseteilchen von

einem wärmetauschenden Gas unter Benutzung der 5 Die Vergrößerung des spezifischen Lückenvolu-Lücken zwischen den Masseteilchen als Strömungs- mens, durch welches das wärmetauschende Gas mit kanäle durchflossen ist und die Masseteilchenschicht verringertem Strömungswiderstand leitbar ist, beruht auf ihrer Unterseite von einem einen geregelten darauf, daß die mit den durchgehenden Einbauele-Durchtritt der Masseteilchen und des Gases ermög- menten in Berührung kommenden Masseteilchen so Hellenden Siebbodenteil getragen ist. io ausgerichtet werden, daß sie praktisch in Ebenen

Bei einem bekannten Wärmetauscher dieser Art bzw. Geraden an den Einbauelementen entlangströ-(USA.-Patentschrift 2 393 893) weisen die in dichter men müssen.

Schüttung wandernden Masseteilchenschichten in Wie erwähnt, ist die Anordnung von Einbauten

Strömungsrichtung der Masseteilchen bzw. des Gases innerhalb von Masseteilchen-Wärmetauschzonen an eine verhältnismäßig große Erstreckung auf. Der 15 sich bekannt (britische Patentschrift 11774/1913). Wärmetausch erfolgt — abgesehen von den Ein- und Hierbei handelt es sich jedoch um einen Wärme-Ausleitzonen des Gases, wo ein teilweiser Kreuzstrom tauscher mit frei fallenden Sandpartikeln, bei welchem auftritt — im Gegenstrom. Der Gegenstrom ist zur die vorgesehenen Einbauten dazu dienen, die auf sie Erzielung eines optimalen Austauschgrades an sich einzeln aufprallenden und durch die Gasströmung günstig, jedoch ist bei der bekannten Anordnung der 20 rieselnden Masseteilchen umzulenken, um auf diesem folgende Nachteil gegeben: Da der Gaswiderstand bei Wege die Verweilzeit der Masseteilchen in der Gasderartigen Wärmetauschern, abgesehen von der strömung etwas zu erhöhen. Bei derartigen mit Frei-Schichttiefe, ausschließlich durch das Lückenvolumen fallschichten arbeitenden Wärmetauschern ist es nicht und damit durch die Abmessungen der kugelförmigen möglich, eine befriedigend lange Verweilzeit der Masseteilchen bestimmt ist, müßte man, damit der 25 Masseteilchen in dem Strom des wärmetauschenden Strömungswiderstand des Gases, d. h. der Druckver- Gases zu erzielen und dabei so günstige Wärmelust, kleingehalten wird, bei Verwendung von z.B. tauschverhältnisse herbeizuführen, wie sie für Wärmekugelförmigen Masseteilchen deren Durchmesser ver- tauscher mit in Schüttung aneinanderliegenden größern. Dieses hätte jedoch u. a. erheblich ver- Masseteilchen charakteristisch sind, schlechterte Wärmetauschverhältnisse zur Folge, ab- 3° Weiterhin ist es an sich bekannt, den Querschnitt gesehen davon, daß sich Masseteilchen größeren der Einbauelemente bei Speicherteilchen-Wärme-Durchmessers für eine pneumatische Förderung nur tauschern, die nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, schlecht eignen. Würde man andererseits zur Ver- in Anpassung an die Volumenänderung des Gases besserung der Wärmetauschbedingungen Masseteil- über die Tiefe der Wärmetauschzone zu verändern chen mit relativ kleinem Durchmesser verwenden, so 35 (USA.-Patentschrift 2 641 450). Bei dieser bekannten ergäbe sich, daß das Wärmetauschgas auf seinem Anordnung handelt es sich jedoch um einen Wärme-Weg einen relativ großen Widerstand zu überwinden tauscher, bei dem die Teilchen innerhalb des gesamhätte und deshalb erhebliche Druckverluste hinge- ten Volumens der Wärmetauschkammer in den aufnommen werden müßten. Außerdem ist beim be- gewirbelten Zustand überführt werden, um dadurch kannten Wärmetauscher nachteilig, daß in Schicht- 40 einen guten Wärmetausch mit dem aufzuwärmenden tiefe gesehen — abhängig von dem spezifischen Vo- oder abzukühlenden Gas herbeizuführen. Derartige lumen und der Zähigkeit des Gases, wobei sich diese mit aufgewirbelten Masseteilchenschichten arbeitende Größen mit wechselnder Temperatur ändern — die Wärmetauscher haben insbesondere Bedeutung zur Wärmeübergangszahlen des Gases zu den Masseteil- Behandlung von Kohlenwasserstoffen, d. h. für chen sich verändern. 45 Crack-Anlagen od. dgl., wo es darauf ankommt, daß

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den sich chemische Reaktionen zwischen den Gasen und Wärmetauscher der eingangs geschilderten Art derart den Masseteilchen abspielen. Hierbei ist es erwünscht, zu verbessern, daß in ihm — obgleich die für den daß die Teilchen eine möglichst große spezifische Wärmetausch besonders günstigen Masseteilchen Oberfläche aufweisen, was nur dann möglich ist, relativ kleinen Durchmessers verwendet werden kön- 5° wenn die Teilchengröße sehr gering ist. Auf der andenen — in Strömungsrichtung des wärmetauschenden ren Seite würde das mit diesen Teilchen reagierende Gases nur ein kleiner Druckverlust und überall in Gas keinen Durchlaß finden, wenn die Teilchen nicht der Schicht praktisch die gleichen Wärmeübergangs- in den aufgewirbelten Zustand überführt würden, zahlen gegeben sind. Diese Aufgabe wird bei einem Demgegenüber geht die Erfindung aus von einem Wärmetauscher der eingangs näher definierten Art 55 Wärmetauscher, der mit Masseteilchen wesentlich dadurch gelöst, daß größerer Teilchengröße arbeitet, die in Schüttung eng

aneinanderliegen. Derartige Wärmetauscher haben,

_N ,. ,. ,.,.. , ,·,,,·., ·ι wenn sie nach dem Gegenstromprinzip arbeiten,

a) die die Warmetauschzone bildende Massete. - _{einen timalen} Wärmeaustauschgrad und ein Bauchcnschicht an sich bekannte Einbauten auf- _{6o volume}i _{das allen übrigen} Speicherteilchen-Wärmeweist die über die Tiefe der Warmetauschzone _{tauschern die mit} aufgewirbelten oder frei fallenden verteil in verschiedener Richtung verlaufend Masseteilchen arbeiten? überlegen ist.

sich über den gesamten Querschnitt durch die _{An Rand dcr Zeichnung} *_{ird die Erfindung im}

anliegenden Masseteilchen erstrecken, folgenden noch näher erläutert. Es zeigt in schema-

65 tischer, vereinfachter Darstellung

b) der Querschnitt der die Einbauten bildenden Fig. 1 die von Heißgas angeströmte Rcgencrator-Einbauelemcntc in den übereinanderliegenden kammer eines Zwcikammcrrcgencrators im Aufriß, Gittcrlagcn in an sich bekannter Weise in Anpas- wobei der besseren Übersichtlichkeit wogen die

sprechend dessen Erwärmung oder Abkühlung verschieden groß. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Wärmetauscher W ist der Querschnitt der Einbauelemente 7 am unteren Ende der Wärmetauschzone 4 5 am geringsten. An dieser Stelle tritt das heiße Gas ein, wobei es sein größtes Volumen hat. Auf der oberen Seite der Wärmetauschzone 4 ist das Gas unter Erhitzung der die Zone durchströmenden Masseteilchen abgekühlt, so daß sein Volumen verringert ist.

vordere Begrenzungswand und die Masseteilchen im einzelnen nicht dargestellt sind,

F i g. 1 a in Draufsicht ein Einbauelement mit daran unter Vergrößerung des Lückenvolumens sich ordnenden Masseteilchen,

Fig. Ib eine abgewandelte Anordnung der in Fig. 1 ersichtlichen Einbauten im Ausschnitt und Aufriß,

F i g. 2 eine weitere Abwandlung der in F i g. 1 dargestellten Einbauten als keramische Gitterelemente io Infolgedessen sind hier die Einbauelemente 7 mit im Grundriß. größerem Querschnitt ausgeführt. Infolge ihrer klei-

Gemäß F i g. 1 handelt es sich um einen Wärme- neren Wärmebeanspruchung können sie zur Erhöhung tauscher W, bei dem wenigstens eine Schicht 4 der der Festigkeit des Systems der Einbauten bzw. als Schichthöhe h von in Schüttung aneinanderliegenden, Tragelemente ausgenutzt werden. Bei dem der Aufais Wärmeträger dienenden, in der Schicht 4 nach 15 heizung eines kalten Gases dienenden, nicht dargeunten wandernden Masseteilchen m (vgl. F i g. 1 a) stellten Wärmetauscher weisen abhängig von den sich von einem wärmetauschenden Gas (Pfeil g) durchflossen ist, und zwar unter Benutzung der Lücken
zwischen den Masseteilchen als Strömungskanäle. Die
Masseteilchen m sind in F i g. 1 im einzelnen nicht 20
dargestellt. Die Masseteilchenschicht 4 ist auf ihrer
Unterseite von einem einen geregelten Durchtritt der
Masseteilchen und des Gases ermöglichenden Sieb

bodenteil 5 getragen. Der in F i g. 1 dargestellte

ändernden Gastemperaturen die Einbauelemente entsprechend vorstehendem einen von unten nach oben abnehmenden Querschnitt auf.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die gitterförmigen Einbauten 7 in jeder ihrer Schichten T durch zwei Lagen von lagenweisen parallelen, jedoch zwischen den Lagen um einen Winkel geneigten Drähten oder Stabkörpern gebildet. Die beiden Lagen

Wärmetauscher W stellt die eine, an ihrer Unterseite 25 jeder Schicht T kreuzen sich unter einem rechten von einem Heißgas g angeströmte Kammer eines Winkel. Sie bilden gleichsam Siebe und über die ge-Zweikammerregenerators dar, dessen andere, an ihrer samte Wärmetauschzone 4 gesehen ein Gitterwerk, Unterseite von einem Kaltgas angeströmte zweite welches die Wärmetauschzone durchdringt. Wie es Regeneratorkammer sinngemäß zu Fig. 1 ausgebil- die Abwandlung nach Fig. Ib zeigt, sind die einzeldet ist (nicht dargestellt). Durch die beiden erwähnten 30 nen Gitterlagen nicht oder nur zum Teil aneinander Kammern kann somit der Wärmetausch zwischen abgestützt. Eine Abstützung der Stablagen ist nur an zwei verschiedenen Gasen mit Hilfe der Masseteil- einer beschränkten Anzahl von Kreuzungsstellen 7 a chen vermittelt werden, welche nach Durchwandern vorgesehen, während die Stäbe an den Kreuzungsder dargestellten Kammer W im aufgewärmten Zu- stellen 7 b mit einem gewissen Abstand zueinander stand der zweiten, nicht dargestellten Kammer züge- 35 geführt sind. Hierdurch wird die Wärmeleitung in führt werden, wo sie in Wärmetausch mit einem auf- Richtung der Zonentiefe h zwischen den Masseteilzuheizenden Kaltgas gebracht werden. Nach Abküh- chen und den lageweise angeordneten Einbauelemeniung können die Masseteilchen dann wieder dem ten 7 kleingehalten.

Wärmetauscher W zugeführt werden. Bei höheren Temperaturen empfiehlt es sich, die

Im einzelnen bedeutet in Fig. 1: 1 das Gehäuse, 40 Einbauelemente 7 aus keramischem Material, also 2 ein Beschickungssystem für die Zuführung der Keramikstegen oder -leisten, auszuführen. F i g. 2 Masseteilchen aus einem Zwischenbehälter 3 zu der zeigt die Ausbildung derartiger Gitterelemente, die Masseteilchenschicht bzw. Wärmetauschzone 4. Die zwischen einzelnen stabförmigen Elementen längliche Schicht 4 besitzt eine im Verhältnis zur Schichthöhe h Durchtrittsöffnungen von rechteckigem Querschnitt große Flächenerstreckung, d. h. eine verhältnismäßig 45 aufweisen. Die übereinanderliegenden Gitterelemente große Länge und Breite. 8 ist ein an das Gehäuse 1 können abwechselnd um 90 ° verdreht in den Wärmeangeschlossenes Gasabzugsrohr, durch welches das tauschzonen angeordnet sein, wodurch sich ebenfalls Gas g, nachdem es die Wärmetauschschicht 4 durch- eine Kreuzung der länglichen Durchtrittskanäle erströmt hat, entweichen kann. Das Beschickungs- gibt. Bei sehr hohen Temperaturen können auch system 2 weist zur gleichmäßigen Zuführung der 50 andere warmfeste Materialien, wie Karbide, Anwen-Masseteilchen zur Wärmetauschzone 4 eine Anzahl dung finden.

von gleichmäßig verteilten Beschickungskanälen 2 α Bietet die Anordnung der Einbauelemente 7 in der

auf. Zur Verbesserung der Verteilung der Masseteil- Wärmetauschzone 4 an sich schon die Möglichkeit, chen können noch Leitkörper 10 vorhanden sein, die die Bewegungsgeschwindigkeit und damit den Durchinfolge ihrer Anordnung eine weitere Verteilung der 55 satz an Masseteilchen zu beeinflussen, so kommt aus den Beschickungsrohren 2 α herausfallenden hierbei der Begrenzung der Wärmetauschzone 4 am Masseteilchen bewirken. Die Masseteilchen m können Austritt der Masseteilchen eine besondere Bedeutung z. B. aus Stahlsand, Aluminium-Oxyden, Keramik- zu. Eine einfache Begrenzung der Wärmetauschzone teilen od. dgl. bestehen. kann an ihrem unteren Ende dadurch erzielt werden,

Erfindungsgemäß weist die die Wärmetauschzone 60 daß kegelförmige öffnungen 5 α des Siebbodenteiles 5 bildende Masseteilchenschicht 4 an sich bekannte zugleich für die Ableitung der Masseteilchen und für Einbauten 7 auf, die über die Tiefe Λ der Wärme- die Einführung des wärmetauschenden Gases gvorgetauschzone 4 verteilt in verschiedener Richtung ver- sehen sind und zwischen der Wärmetauschzone 4 und laufend sich über den gesamten Querschnitt durch dem Siebbodenteil 5 ein Leitwandgittcr 6 zur Überdie anliegenden Masseteilchen erstrecken. Weiterhin 65 leitung der Masseteilchen in die öffnungen 5 α des ist der Querschnitt der Einbauclcmentc 7 in den Siebbodentcils 5 eingeschaltet ist. Weiterhin ist übereinanderliegenden Gittciiagen, wie ersichtlich, in zweckmäßig der Siebbodenteil 5 neben den öffnun-Anpassung an die Volumenänderung des Gases ent- gen 5 a für die Masseteilchen und das Gas mit zu-

sätzlichen Gaskanälen 5 b versehen, die, für Masseteilchen undurchlässig, auf ihrer oberen Seite durch das Leitwandgitter 6 gegen die Masseteilchen abgedeckt sind. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärmetauschers beruht nun darauf, daß bei 5 Zuführung der Masseteilchen durch die Beschickungseinrichtung 2, 2 α die Masseteilchen die gesamten freien Hohlräume zwischen den Einbauelementen 7 anfüllen. Bei der Bewegung der Masseteilchen unter dem Einfluß ihrer Schwere entgegen der Gasströmung ergibt sich, daß die von oben nach unten sich bewegenden Masseteilchen jedesmal beim Auftreffen auf ein Element der gitterförmigen Einbauten 7 umgelenkt bzw. neu geordnet werden. Da die vorzugsweise kugelförmigen Masseteilchen m sich an den geraden Kanten der Elemente des Gitterwerkes vorbeibewegen müssen, ergibt sich, wie dies schematisch F i g. 1 a veranschaulicht, eine Erhöhung des Lückenvolumens λ und damit eine Verbesserung der Strömungsmöglichkeiten für das durch die Masseteilchen geführte Wärmetauschgas. Durch diese Steigerung des Lückenvolumens läßt sich eine wesentliche Intensivierung der Gasströmung bei verhältnismäßig geringem Druckabfall erzielen. Es ist einleuchtend, daß hierdurch der Wärmetausch infolge Erhöhung der Gasgeschwindigkeit beträchtlich gesteigert werden kann. Andererseits gewährleistet die intensivere, schnellere Gasdurchströmung eine Lockerung de" Verbandes der Masseteilchen, die jedoch wiederum infolge der Begrenzung ihrer Bewegungsmöglichkeit durch die obere Gitterlage auch trotz erhöhter Gasgeschwindigkeit nicht aufgewirbelt werden können. Diese Auflockerung hat jedoch eine durch Reibungskräfte weniger behinderte Masseteilchenbewegung zur Folge. Die Voraussetzung dafür ist, daß die Masseteilchen in gleichmäßigen kleinen Teilmengen durch die Durchbrechungen des Siebbodenteils 5 abrieseln können.

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher, bei dem wenigstens eine Schicht von in Schüttung aneinanderliegenden, als Wärmeträger dienenden, in der Schicht nach unten wandernden Masseteilchen von einem wärmetauschenden Gas unter Benutzung der Lücken zwischen den Masseteilchen als Strömungskanäle durchflossen ist und die Masseteilchenschicht auf ihrer Unterseite von einem einen geregelten Durchtritt der Masseteilchen und des Gases ermöglichenden Siebbodenteil getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die die Wärmetauschzone (4) bildende Masseteilchenschicht an sich bekannte Einbauten (7) aufweist, die über die Tiefe (h) der Wärmetauschzone verteilt in verschiedener Richtung verlaufend sich über den gesamten Querschnitt durch die anliegenden Masseteilchen erstrecken,

b) der Querschnitt der die Einbauten bildenden Einbauelemente in den übereinanderliegenden Gitterlagen in an sich bekannter Weise in Anpassung an die Volumenänderung des Gases entsprechend dessen Erwärmung oder Abkühlung verschieden groß ist (F i g. 1).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterförmigen Einbauten (7) in jeder Schicht durch zwei Lagen von lagenweise parallelen, jedoch zwischen den Lagen um einen Winkel geneigten Drähten oder Stabkörpern gebildet werden.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gitterlagen nicht oder nur zum Teil aneinander abgestützt sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauelemente aus keramischem Material oder Karbiden bestehen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einbauelemente Gitterkörper aus keramischem Material mit länglichen Schlitzen vorgesehen sind, die in den übereinanderliegenden Gitterschichten um ungefähr 90 ° versetzt sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kegelförmige öffnungen (5 a) des Siebbodenteiles (5) zugleich für die Ableitung der Masseteilchen und für die Einführung des wärmetauschenden Gases vorgesehen sind und zwischen der Wärmetauschzone (4) und dem Siebbodenteil ein Leitwandgitter (6) zur Überleitung der Masseteilchen in die öffnungen des Siebbodenteiles eingeschaltet ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebbodenteil (5) neben den öffnungen (5 α) für Masseteilchen und Gas mit zusätzlichen Gaskanälen (5 b) versehen ist, die, für Masseteilchen undurchlässig, auf ihrer oberen Seite durch das Leitwandgitter gegen die Masseteilchen abgedeckt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen