DE1501488B2

DE1501488B2 - Speicher-Umschaltwärmetauscher

Info

Publication number: DE1501488B2
Application number: DE19661501488
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Comte, Jean, Longeville-les-Metz, Mosel (Frankreich)
Priority date: 1965-10-04
Filing date: 1966-10-01
Publication date: 1970-11-12
Also published as: BE687373A; LU52091A1; NL6613958A; GB1166043A; FR1460728A; US3401921A; DE1501488A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Speicherkammer eines Speicher-Umschaltwärmetauschers für Gas mit einem stehenden rohrförmigen Gehäuse, das innen wärmedämmend gefüttert ist und mit Ausnahme beidendiger freier Zu- und Abströmräume für die wärmetauschenden Gase von einer Speichermasse aus Schüttgut gefüllt ist, die mindestens gegenüber einem der freien Zu- und Abströmräume eine frei geschüttete Grenzfläche aufweist.

Eine direkt befeuerte Speicherkammer dieser Art ist durch die deutsche Patentschrift 666 667 bekannt. Sie weist bereits den Vorteil auf, daß der Werkstoff für die Speichermasse einfach und billig ist und die Speichermasse gegenüber den im Betrieb auftretenden Wärmedehnungen unempfindlich ist. Bei der bekannten Bauweise ist jedoch ein großer Bauaufwand für die in herkömmlicher Weise ausgeführte und daher gegen Wärmedehnungen empfindliche wärmedämmende Ausfütterung des Gehäuses erforderlich und wird durch die frei geschüttete Grenzfläche nur ein kleiner Abströmquerschnitt für das Heizgas bzw. Zuströmquerschnitt für das zu erhitzende Gas ermöglicht.

Ferner ist bereits eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung körniger Stoffe mit Gasen, insbesondere zu ihrer Trocknung und Kühlung bekannt, die innerhalb eines Gehäuses übereinanderliegende kegelförmige Rostflächen aufweist, zwischen denen sich jeweils eine trichterförmige Rostfläche befindet. Die Rostflächen bestehen aus einzelnen, ringförmigen Platten, die schuppenförmig übereinander angeordnet sind, derart, daß zwischen ihnen Durchgangsöffnungen für die Behandlungsgase frei bleiben. Wie die ringförmigen Platten in ihrer Lage gehalten werden, ist aus der Darstellung dieser bekannten Vorrichtung (schweizerische Patentschrift 296 419) nicht ersichtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Speicherkammern der eingangs bezeichneten bekannten Art die Empfindlichkeit der wärmedämmenden Ausfütterung des Gehäuses gegen Wärmedehnungen zu beseitigen und auf einfachste Weise einen großen, druckverlustsparenden Ab- bzw. Zuströmquerschnitt für die wärmetauschenden Gase zu verwirklichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine Schicht der Ausfütterung durch eine Schüttung körniger Festkörper gebildet ist und mindestens einer der Zu- und Abströmräume durch mehrere mit axialem Abstand in der Schüttgut-Speichermasse oder in der geschütteten Wärmedämmschicht liegende Ring- und Rotationskörper gebildet ist, wobei die Außendurchmesser dieser Körper jeweils nach oben zu abnehmen und die Körper einander in dem Maß überlappen, daß sich in den durch die axialen Abstände gebildeten Ringspalten freie Böschungsflächen bilden.

Am oberen Ende des Gewölbes mündet ein ringförmiger Brenner in den Zuströmraum; er ist mit einer oder mehreren Zuleitungen für das Verbrennungsgas und für die Verbrennungsluft verbunden. Des weiteren kann im Abströmraum ein entsprechender Brenner oder eine Gruppe von Brennern vorgesehen sein, wobei die Brenner axial in den Zu- und Abströmraum münden.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse konisch ausgebildet; hierbei ist der Brenner am Gehäuseende mit dem größeren Durchmesser angeordnet.

Wenn der untere Zu- und Abströmraum der erfindungsgemäßen Speicherkammer durch die Ring- und Rotationskörper gebildet ist, kann der offene Boden des Gehäuses auf einer kreisringförmigen Schüttgutbettung ruhen, die mit freien Böschungswinkeln auf einem ebenen Fundament liegt. Vorzugsweise ist das Gehäuse wenigstens an einem Ende durch einen Deckelteil überwiegend geschlossen, der eine kegelstumpfförmige und/oder kugelkalottenförmige Gestalt aufweist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Gewölbes eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung in axialem Schnitt,

F i g. 2, 3 und 4 perspektivische Ansichten von Schüttgütern, die zum losen Auffüllen eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung verwendbar sind,

F i g. 5 eine schematische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung in axialem Schnitt,

F i g. 6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung in vereinfachter Darstellung in axialem Schnitt,

F i g. 7 eine schematische Ansicht und teilweise einen Schnitt durch eine Gruppe von Speicherkammern eines Speicher-Umschaltwärmetauschers gemäß der Erfindung und

F i g. 8 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, die besonders für Speicher-Umschaltwärmetauscher gemäß der Erfindung geeignet ist, in einem axialen Schnitt.

Der Gewölbeaufbau gemäß der Erfindung nach F i g. 1 zeigt als wesentlichen Vorteil, daß man mit einfachen, billigen Schüttgütern arbeiten kann und daß die Vorrichtung praktisch unempfindlich gegenüber Einflüssen auf Grund der Wärmeausdehnung ist, so daß es möglich ist, die hauptsächlichen Nachteile, die bei bisherigen Speicher-Umschaltwärmetauschern des Cowper-Typs auftraten, zu verringern. Wie in F i g. 1 dargestellt, besteht ein derartiges Gewölbe aus genau ebenen Ring- und Rotationskörpern 1, die eine solche Abmessung aufweisen, daß ihr Durchmesser von unten nach oben im Gewölbe abnimmt. Diese Körper können z. B. aus Beton, aus gepreßtem Werkstoff, aus Metall u. dgl. bestehen. Es ist möglich, sie an Ort und Stelle aus einem Stück und aus einem Werkstoff auf Zementbasis zu gießen. Ihr Querschnitt kann leicht profiliert sein, wie mit dem Körper 1' in F i g. 1 gezeigt ist, um eine hohe Festigkeit, eine einwandfreie Zentrierung, ein Überströmen von Schüttgut-Speichermasse 3 u. dgl. zu erreichen. Der obere Körper 2 kann aus einer Scheibe bestehen, die in gleicher Weise aufgebaut ist wie die Ringkörper 1. Alle Körper sind voneinander durch die Schüttgut-Speichermasse 3 getrennt, wobei ein Durchgang für die Gasströme zwischen den Körpern, die das Gewölbe bilden, frei bleibt. Die Masse 3 liegt auf jedem Element frei mit einem natürlichen Böschungswinkel α auf. Die ringförmigen Körper liegen ihrerseits auf der Speichermasse 3 auf. Auch kann das Gewölbe unter dem Einfluß der Wärmeausdehnung ohne Bruchgefahr für die Ringkörper freies Spiel haben. Wahlweise können die Dimensionen der Ringkörper so gewählt werden, daß das Gewölbe eine vorgegebene Form erhält.

F i g. 2 zeigt einen Rasching-Ring, wie zum Auffüllen von Absorptionstürmen verwendet wird, und

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der als Schüttgut zum Auffüllen eines Wärmeaus- Auskleidung aus Ziegeln 7 isolieren, die innerhalb tauschers gemäß der Erfindung dienen kann. Solche eines äußeren Gehäuses 8 aus Blech vorgesehen ist. Ringe haben in der Praxis die geometrische Form Die Zone 6 kann aus Schüttgütern ähnlich denen, eines Zylinders, der in einen Würfel einbeschrieben welche die Schüttgut-Speichermasse 3 darstellen oder

wird. 5 aus Wärmedämmstoffen hergestellt sein, die aus

Die F i g. 3 stellt eine andere Ausführungsform der feuerfesten, grobgesiebten Bruchstücken, aus ge-Schüttgut-Speichermasse dar, die zum Füllen einer brochenen Kieseln kleiner Körnung, aus grobem Speicherkammer gemäß der Erfindung dienen kann. Sand u. dgl. bestehen. Derartige Wärmedämmstoffe Das dargestellte Element hat die Form eines U, das können in gleicher Weise als Wärmedämmschicht zur in einen Kubus einbeschrieben wird. Elemente mit io Auskleidung 9 des oberen Gewölbes verwendet werdieser Gestalt haben die besondere Eigenschaft, daß den. Der Grundteil der Speicherkammer ruht über sie eine Schüttung ausbilden, deren Gasdurchlässig- einen Ringkörper des unteren Gewölbes auf einer keit durch die Wahl der Dimensionen der Elemente Schüttgutbettung 10, die ebenfalls aus feuerfestem einstellbar ist. Eine derartige Schüttung kann eine Wärmedämmstoff besteht, der für Gasströme durchinnere Oberfläche zwischen 80 und 200 m²/m³ je 15 lässig und auf dem Fundament 11 angeordnet ist. nach Wahl der Dimensionen (Dicke und Raum- Die Bettung 10 wird von einem ringförmigen, dichbedarf) der U-förmigen Elemente aufweisen. Die ten Gehäuseteil 12 umschlossen, das mit einem Sam-Sohüttung kann in Hinblick auf die zufälligen Bruch- melrohr 13 in Verbindung steht. Eine Rohrleitung 14, stücke praktisch nicht verstopfen, und es kann kein über die Kaltluft eingespeist wird, mündet in die Schaden auftreten, wenn die Wärmeausdehnung zur ao Mitte der Speicherkammer am Boden des unteren Wirkung kommt. Gewölbes. Das Sammelrohr 13 dient zur Abführung

Solche Elemente können vorteilhafterweise eine der Rauchgase, während in der Mitte der Speicher-Dicke zwischen 3 und 15 mm aufweisen, wobei ihr kammer am oberen Ende des oberen Gewölbes ein Raumbedarf dem eines Kubus mit einer Seitenabmes- oder mehrere konzentrisch angeordnete Warmluftsung von 10 X 100 mm entspricht. 25 auslasse 15 in eine oder mehrere Zuleitungen 16 für

In gleicher Weise kann man zur Füllung der Spei- Verbrennungsgas und eine oder mehrere Zuleitungen cherkammern gemäß der Erfindung auch aus dem 17 für Verbrennungsluft eines ringförmigen Brenners Steinbruch anfallende Steinbrocken, die gesiebt und 18 einmünden, der am oberen Ende des Gewölbes sortiert sind, verwenden, z. B. Quarzit 16/22, Por- vorgesehen ist. Dadurch ist eine Einwirkung auf die phyrit 33/50 und entsprechende Stoffe, die u. a. den 30 Aufteilung der Gasströme in der Schüttgut-Speicher-Vorteil aufweisen, daß sie korrosions- und hitze- masse 3 möglich, wozu in gleicher Weise das Vorbeständig, relativ billig und auf dem Markt leicht handensein des untersten Ringkörpers und einer erhältlich sind. Schutzvorrichtung 2' oder das Profil beiträgt, das der

Der Wärmetauscher nach F i g. 5 ist ein Beispiel Speichermasse 3 an ihrer Oberfläche gegeben wird

für die Anpassung eines Speicherwärmetauschers an 35 (vgl. F i g. 8).

eine zyklische Arbeitsweise mit nach abwärts gerich- Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 ist das Ge-

teter Verbrennung. Die gesamte Anordnung wie auch häuse an seinem oberen Ende durch eine Anordnung

die Ausbildung der Einzelteile hiervon können in aus Mehrfach-Kegelstümpfen abgeschlossen,

weitem Maße geändert werden, so daß die Erfindung Die Arbeitsweise ist bei der erfindungsgemäßen

insgesamt eine sehr anpassungsfähige Lösung ergibt. 40 Speicherkammer gleich der bei dem klassischen

Die erfindungsgemäße Speicherkammer weist im Cowper. In einem ersten Arbeitszyklus wird die Speioberen Teil einen Zuströmraum 4 in Form eines Ge- chermasse 3 mit Hilfe des Brenners 18 aufgeheizt, wölbes auf, wie es F i g. 1 zeigt; dieser Raum dient wobei die Rauchgase durch das Sammelrohr 13 entabwechselnd als Verbrennungskammer oder als Sam- weichen, und in einem zweiten Arbeitszyklus wird melraum für Warmluftströme. Am unteren Teil der 45 Kaltluft durch die Rohrleitung 14 eingeführt und die Speicherkammer ist ein Abströmraum 5 vorgesehen, Warmluft durch den Auslaß 15 abgeleitet. Sobald der analog wie der obere Teil abwechselnd als Samm- sich die Speichermasse abgekühlt hat, wird die Aufler für die Rauchgase und als Verteiler für die Kalt- heizung von neuem vorgenommen, usw.
luft dient. Die Ringkörper, die die beiden Gewölbe Eine Ausführungsform, die in F i g. 6 mit ansteibilden, können auch noch perforiert sein, damit der 50 gender Verbrennung dargestellt ist, kann verwendet Durchgang der Gase weiter erleichtert wird, und es werden, wenn die zu erwärmende Luft angesaugt kann vorteilhaft sein, den Raum 4 mit größerem wird. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die AbDurchmesser auszuführen als den Raum 5, womit führung der Rauchgase durch natürlichen Zug, und der Speicherteil der Speicherkammer eine umgekehrt die Umgebungsluft über der Speicherkammer stellt konische Form erhält, die zahlreiche Vorteile, z. B. 55 die Kaltluftquelle dar. Diese Ausführungsform weist in Hinblick auf die Zirkulation der strömenden Gase am unteren Teil einen Zu- und Abströmraum 19 ergibt. Der Speicherteil der Speicherkammer ist mit auf, der unterhalb eines Gewölbes angeordnet ist, das feuerfestem Schüttgut gefüllt, wie es in den F i g. 2, dem in F i g. 1 gezeigten gleicht. In Achsrichtung 3 und 4 gezeigt ist, wobei die äußeren Abmessungen mündet eine Rohrleitung 20 zum Ansaugen von und die Dicke der einzelnen Speicherkörper im unte- 6o Warmluft in den unteren Teil des Hohlraumes ein, ren Teil der Speicherkammer wesentlich größer sein ebenso ein ringförmiger Brenner 21 analog dem können als im oberen Teil, weil im unteren Teil der Brenner 18 nach F i g. 5, der mit Brennstoff und mit Speicherkammer die aktive Oberfläche weniger wich- Verbrennungsluft aus zwei Kanälen 22 und 23 getig ist als die Festigkeit, während das Umgekehrte im speist wird. Die Anordnung weist ein äußeres Geoberen Teil gilt. Der unterste Ringkörper des oberen 65 häuse in Form eines Kegelstumpfes 24 auf, das am Gewölbes 4 bestimmt eine ringzylindische vertikale oberen Ende geöffnet ist, und das mit Schüttgut 25 Zone (Schicht 6 der Ausfütterung), aus der Gas in gefüllt ist sowie auf dem Fundament 26 aufsitzt,
geringerem Maß austritt; sie soll gegen eine weitere Die in F i g. 7 dargestellte Anordnung ist ein Bei-

spiel für die Anwendung der Erfindung bei den Cowpern der Hochöfen. Bei einer derartigen Anordnung genügen 400 Tonnen eines wärmebeständigen billigen Schüttguts, um einen Warmluftdurchsatz von mehr als 100 000 m³/h (das Volumen bezieht sich auf normale Umgebungsbedingungen) bei einer Temperatur von 1200⁰C zu erzielen. Die Sicherheitsvorkehrungen können dabei vereinfacht werden. Es gibt auch keine nennenswerte Beschränkung in bezug auf die Verbrennungstemperatur am Brenner. Es ist ferner auch möglich, die Speicherkammern völlig in der Fabrik herzustellen und als einzige Vorgänge an Ort und Stelle das Auffüllen mit Schüttgut-Speichermasse sowie die Herstellung der Rohrleitungsverbindungen durchzuführen. Bei der Anlage nach der F i g. 7 dient der Kanal

27 zur Abführung der Warmluft, solange die Kanäle

28 und 28' für die Speisung der Brenner im Cowper-Wärmetauscher dienen. Der Kanal 29 dient zur Abführung der Rauchgase und die Rohrleitung 30 zur Einspeisung von Kaltluft. Zwei Gewölbe 31 und 32 sind am Boden und am oberen Teil jeder Speicherkammer wie im Beispiel nach F i g. 5 angeordnet, wobei die Ventile 33, 34, 35 und 36 es ermöglichen, die unterschiedlichen Kanäle zyklisch mit der einen oder anderen der identischen Speicherkammern 37 und 38 zu verbinden, die in an sich bekannter Weise wirken, wobei die eine die Warmluft liefert, während die andere durch die Brenner aufgeheizt wird.

Eine andere Ausführungsform der in den F i g. 5 οε und 7 dargestellten Speicher-Umschaltwärmetauscher ist schematisch in F i g. 8 gezeigt, der obere Teil besitzt eine annähernd halbkugelförmige Gestalt, die für bestimmte Anwendungsfälle an Stelle des umgekehrten Kegelstumpfes nach Fig. 7 oder der übereinander angeordneten Mehrfachkegelstümpfe nach F i g. 5 bestimmte Vereinfachungen im Aufbau, in der Festigkeit, in der Wärmeabgabe, im Zugang und in der Verbindung ergibt. Diese Ausführungsform ergibt die maximalen Vorteile in Hinblick auf die Ausgestaltung und die Verwendung unterschiedlicher wärmespeichernder und wärmeisolierender Zonen von Schüttgütern an, wenn man die Volumenunterschiede der Gase bei den verschiedenen Temperaturen berücksichtigt.

Claims

Patentansprüche:

1. Speicherkammer eines Speicher-Umschaltwärmetauschers für Gas mit einem stehenden rohrförmigen Gehäuse, das innen wärmedämmend gefüttert ist und mit Ausnahme beidendiger freier Zu- und Abströmräume für die wärmetauschenden Gase von einer Speichermasse aus Schüttgut gefüllt ist, die mindestens gegenüber einem der freien Zu- und Abströmräume eine frei geschüttete Grenzfläche aufweist, dadurchgekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (6, 9) der Ausfütterung durch eine Schüttung körniger Festkörper gebildet ist und mindestens einer der Zu- und Abströmräume (4, 5) durch mehrere mit axialem Abstand in der Schüttgut-Speichermasse (3) oder in der geschütteten Wärmedämmschicht (9) liegende Ring- und Rotationskörper (1) gebildet ist, wobei die Außendurchmesser dieser Körper (1) jeweils nach oben zu abnehmen und die Körper einander in dem Maß überlappen, daß sich in den durch die axialen Abstände gebildeten Ringspalten freie Böschungsflächen bilden.

2. Speicherkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner (18, 21) oder eine Gruppe von Brennern in einen Zu- und Abströmraum (4, 19) axial münden.

3. Speicherkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (24) eine konische Form aufweist, wobei der Brenner (21) am dickeren Gehäuseende angeordnet ist.

4. Speicherkammer, bei der mindestens der untere Zu- und Abströmraum durch Ring- und Rotationskörper gebildet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Boden des Gehäuses (8) auf einer kreisringförmigen Schüttgutbettung (10) ruht, die auf einem ebenen Fundament (11) mit freien Böschungswinkeln liegt.

5. Speicherkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) wenigstens an einem Ende durch einen Deckelteil überwiegend geschlossen ist, der eine kegelstumpfförmige und/oder kugelkalottenförmige Gestalt aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen