DE1401704C - Wärmetauscher mit in Schüttung aneinanderliegenden wandernden Masseteilchen - Google Patents

Description

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 30 rieselnden Masseteilchen umzulenken, um auf diesem folgende Nachteil gegeben: Da der Gaswiderstand bei Wege die Verweiizeit 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 35 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.
kugelförmigen Masseteilchen deren Durchmesser vergrößern. Dieses hätte jedoch u. a. erheblich verschlechterte Wärmetauschverhältnisse zur Folge, ab- 3°
gesehen davon, daß sich Masseteilchen größeren
Durchmessers für eine pneumatische Förderung nur
schlecht eignen. Würde man andererseits zur Verbesserung der Wärmetauschbedingungen Masseteilchen mit relativ kleinem Durchmesser verwenden, so 33 (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

mit aufgewirbelten Masseteilchenschichten arbeitende Wärmetauscher haben insbesondere Bedeutung zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen, d. h. für Crack-Anlagen od. dgl., wo es darauf ankommt, daß sich chemische Reaktionen zwischen den Gasen und den Masseteilchen abspielen. Hierbei ist es erwünscht, daß die Teilchen eine möglichst große spezifische Oberfläche aufweisen, was nur dann möglich ist,

relativ kleinen Durchmessers verwendet werden kön- 50 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, wenn sie nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, einen optimalen Wärmeaustauschgrad und ein Bau_l; _{d ll bd} SihilhWä

tauschverhältnisse herbeizuführen, wie sie für Wärmetauscher mit in Schüttung aneinanderliegenden Masseteilchen charakteristisch sind.

Weiterhin ist es an sich bekannt, den Querschnitt der Einbauelemente bei Speicherteilchen-Wärmetauschern, die nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, in Anpassung an die Volumenänderung des Gases über die Tiefe der Wärmetauschzone zu verändern

lumen und der Zähigkeit des Gases, wobei sich diese Größen mit wechselnder Temperatur ändern — die Wärmeübergangszahlen des Gases zu den Masseteilchen sich verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmetauscher der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, daß in ihm — obgleich die für den Wärmetausch besonders günstigen Masseteilchen

a) die die Wärmetauschzone bildende Masseteil-

. ... -..ι .,-·, - einen optimalen Wärmeaustauschgrad und ein Bau

chenschich an sich bekannte Einbauten auf- _{5o volumen}; _{das allen übdgen} Speicherteilchen-Wärmewdst die über die Tiefe der Warmetauschzone i lld

weist, die über die Tiefe der Wärmetauschzone verteilt in verschiedener Richtung verlaufend sich über den gesamten Querschnitt durch die anliegenden Masseteilchen erstrecken,

b) der Querschnitt der die Einbauten bildenden Einbauelemenle in den übereinanderliegenden Gitterlagen in an sich bekannter Weise in Anpas-

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_tauscherrij die mit aufgewirbelten oder frei fallenden Masseteilchen arbeiten, überlegen ist.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. Es zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung

F i g. 1 die von Heißgas angeströmte Regeneratorkammer eines Zweikammerregencrators im Aufriß, wobei der besseren Übersichtlichkeit wecen die

3 .4

vordere Begrenzungswand und die Masseteilchen im sprechend dessen Erwärmung oder Abkühlung vereinzelnen nicht dargestellt sind,- schieden groß. Bei dem in F ί g. 1 dargestellten

F i g. 1 a in Draufsicht ein Einbauelement mit Wärmetauscher W ist der Querschnitt der Einbaudaran unter Vergrößerung des Lückenvolumens sich elemente 7 am unteren Ende der Wärmetauschzone 4

ordnenden Masseteilchen, 5 am geringsten. An dieser Stelle tritt das heiße Gas

Fig. Ib eine abgewandelte Anordnung der ih ein, wobei es sein größtes Volumen hat. Auf der obe-

F i g. 1 ersichtlichen Einbauten im Ausschnitt und ren Seite der Wärmetauschzone 4 ist das Gas unter

Aufriß, Erhitzung der die Zone durchströmenden Masseteil-

F i g. 2 eine weitere Abwandlung der in F i g. 1 dar- chen abgekühlt, so daß sein Volumen verringert ist

gestellten 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. Fig. la) stellten Wärmetauscher weisen abhängig von den sich von einem wärmetauschenden Gas (Pfeil g) durch- ändernden Gastemperaturen die Einbauelemente flössen ist, und zwar unter Benutzung der Lücken entsprechend vorstehendem einen von unten nach zwischen den Masseteilchen als Strömungskanäle. Die oben abnehmenden Querschnitt auf. Masseteilchen m sind in F i g. 1 im einzelnen nicht ao l_m dargestellten Ausführungsbeispiel sind die dargestellt. Die Masseteilchenschicht 4 ist auf ihrer gitterförmigen Einbauten 7 in jeder ihrer Schichten 7' Unterseite von einem einen geregelten Durchtritt der durch zwei Lagen von lagenweisen parallelen, jedoch Masseteilchen und des Gases ermöglichenden Sieb- zwischen den Lagen um einen Winkel geneigten bodenteil 5 getragen. Der in F i g. 1 dargestellte 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 Einbauelemenlung 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 Einbauelemente7 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 +5 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 Durch- ,

infolge 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, Erfindüngsgemäß 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 h der Wärme- die Einführung des wärmetauschenden Gases g vorge-

tauschzone 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 Leitwandgitter 6 zur Überdie anliegenden Masseteilchen erstrecken. Weiterhin 65 leitung der Masseteilchen in die Öffnungen 5 a des

ist der Querschnitt der Einbauelemente 7 in den Siebbodenteils 5 eingeschaltet ist. Weiterhin ist

übereinanderliegenden Gitterlagen, wie ersichtlich, in zweckmäßig der Siebbodenteil 5 neben den öffnun-

Anpassung an die Volumenänderung des Gases ent- gen 5 α für die Masseteilchen und das Gas mit zu-

sätzlichen Oaskanälen 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 S 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 to 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 Fig. la veranschaulicht, eine Erhöhung des Lückenvolumens λ und damit eine Verbesserung der Strömungsmöglichkeiten für das durch die Masseteilchen ao 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 deVerbandes 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.

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 Strömungskanälc durchflossen ist und die Masseteilchenschicht auf ihrer Unterseite von einem einen geregelten Durchtritt der Masseteilchen und des Gases ermöglichenden Siebbodenteil getragen ist, dadurchgekennzeichnet, daß

a) die die Wärmetauschzone (4) bildende Masseteilchenschicht an sich bekannte Einbauten (7) aufweist, die über die Tiefe (Λ) 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 (Fig. 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 kegeiförmige 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 Siebbodenteilcs eingeschaltet ist.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen