DE19547978C2 - Fluiddynamisches Ventil als Umschalteinrichtung für zwei Gasströme - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Aufbau, der es gestattet Gasströme, vornehmlich heiße, mittels Zuhilfenahme fluidmechanischer Eigenschaften ohne direkten Einsatz mechanischer Elemente zu schalten, wie im Bild 1 dargestellt ist.

Eine derartige Aufgabenstellung findet sich typischerweise bei der regenerativen Abwärmenutzung beim regenerativen Wärmetausch. Heißes Gas strömt dabei durch einen Regenerator, gibt dort fühlbare Wärme ab und verläßt das System. Im Gegenzug wird in einer zweiten Einheit kaltes Prozeßgas in einem zweiten, zuvor erwärmten (s. o.) Regenerator aufgeheizt, in dem es die gespei­ cherte Wärme aufnimmt.

Normalerweise benötigt eine solche Betriebsart für jeden Regenerator zwei Ventile für die Heiß- und Kaltseite. Im Fall der Regenerativfeuerung besteht die Möglichkeit, dies zu vermeiden (besonders die kostenintensiven Heißgasventile), und zwar direkt durch die Umschaltung von Gebläse an Kaltseite oder indirekt durch die Gebläse-Strahlvorrichtungen (bekannt aus dem Patent DE-AS 10 29 5/6). In beiden Fällen müssen die Brenner diskontinuierlich in Betrieb sein, was wiederum große Nachteile hat (Verpuffung, schlechtere Abgaswerte). Dieses Prinzip ist jedoch nicht anwendbar, wenn ein kon­ tinuierlicher Heißgasstrom benötigt wird. In der Heißwindversorgung von Hochöfen beispielsweise setzt man von daher Heißwindschieber für die Umschaltung auf der heißen Seite ein. Diese könnten, so Heißwind und Verbrennungsabgas auf etwa gleichem Druckniveau liegen, durch vorliegende Erfindung ersetzt werden.

Bild 2 erzeigt den heutigen Stand der Technik in der Anwendung der regenerativen Wärmetauscher. Die Systeme für die Nutzung der Abgaswärme (Bild 2a), z. B. von Industrieöfen, bestehen im ein­ fachstem Fall aus zwei Gefäßen (1 und 2), die mit einem gasdurchlässigen und hochhitzebestän­ digen Werkstoff, z. B. einer losen Schüttung (3), gefüllt sind. Das heiße Ofenabgas (von beispiel­ weise 1300°C) wird durch eine Abgasleitung (4) über eine Umschalteinrichtung (5) durch eines der beiden Regeneratorgefäße (hier 2) gesaugt, wobei es seinen Wärmeinhalt an die Wärmespeicher­ masse (3) abgibt. Das Abgas verläßt das Gefäß (2) weitgehend abgekühlt durch die Leitung (6) zu einer zweiten Umschalteinrichtung (7), von wo es über einen Abgasventilator (8) abgesaugt und dem Kamin zugeführt wird. Ein zweiter Ventilator (9) saugt kaltes Gas zur Vorwärmung (z. B. Verbrennungsluft für die Industrieofen) an, das über das Umschaltsystem (7) dem zweiten Regene­ rator (1) zugeführt wird und sich beim Durchgang auf beispielweise 1200°C erwärmt. Dieses erwär­ mte Gas wird über die Umschalteinrichtung (5) durch die Leitung (10) weiter zum Verbraucher (z. B. einem Brenner) zugeführt.

Durch die periodische Umschaltung erfolgt ein Vertauschen der Betriebsweise der beiden Regene­ ratoren (1) und (2). Sie wird dadurch bewirkt, daß in den Umschalteinrichtungen (5) und (7) alle acht Umschalteinrichtungen (11) gleichzeitig geschaltet werden. Dadurch wird der Strömungsverlauf in den Regeneratoren umgekehrt.

Falls kein heißes Abgas aus einem Prozeß für die Wärmerückgewinnung zur Verfügung steht, muß man einen Brennstoff (z. B. ein Abgas mit niedrigem Heizwert) zur Wärmeerzeugung benutzen (Bild 2b). Ein Gebläse (12) saugt atmosphärische Luft an, die über das Umschaltsystem (13), zusammen mit benötigtem Brennstoff dem Regenerator (2) zugeführt wird. Der Brennstoff verbrennt dann im oberen Raum des Gefäßes (2). Die Verbrennungsgase heizen die Wärmespeicherschicht (3) und verlassen das Gefäß als kaltes Abgas durch die Leitung (6) und die Umschalteinrichtung (7). Gleich­ zeitig wird im Gefäß (1) das kalte Gas (z. B. Luft) vorgewärmt und durch die Umschalteinrichtung (14) und die Leitung (10) dem Verbraucher zugeleitet. In diesem Fall sind nur die Ventile in der Umschalteinrichtung (14) immer von heißen Gasen durchströmt.

Nach einiger Zeit werden die Gefäße (1) und (2) wie zuvor umgeschaltet. Wenn diese Umschaltzeit sehr kurz ist, können Probleme mit der diskontinuierlichen Verbrennung entstehen. Dann ist es sinnvoll, ein drittes Gefäß zu haben, das als Brennkammer für eine kontinuierliche Verbrennung dient. Man benötigt dann die gleiche Umschalteinrichtung (5) wie im Fall a).

In solchen Anlagen ist nun insbesondere die Umschalteinrichtung (5) bzw. (14), die nur von heißen Gasen durchströmt wird, ein sehr aufwendiges und störanfälliges Bauteil. Zusätzlich ist es die Quelle erheblicher Wärmeverluste, da nach dem heutigen Stand der Technik alle Teile der Ventile mit Wasserkühlung ausgeführt werden müssen. Hingegen ist die Umschalteinrichtung (7) infolge der niedrigen Gastemperatur klein, preiswert und unproblematisch.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, bspw. in einer regenerativen Wärmetauscheranlage die Umschalteinrichtung auf der heißen Seite durch ein fluiddynamisches System (hier als "fluiddyna­ misches Ventil" benannt) zu ersetzen, das ohne mechanisch bewegte Teile auskommt und dennoch verhindert, daß sich Ofenabgas (oder heißes Verbrennungsgas) und erwärmtes Gas (z. B. Luft) in wesentlichen Umfang vermischen. Das Prinzip der vorgeschlagenen Erfindung basiert auf der Wechselwirkung zwischen Geschwindigkeitsfeld und Druckfeld in einer Strömung: die lokale Druck­ verteilung beeinflußt die Geschwindigkeit und Strömungsrichtung und die lokalen Geschwindigkeits­ werte beeinflussen die Druckverteilung. Bei entsprechender Auslegung der Strömungskanäle ist es möglich, an einigen Stellen die Geschwindigkeit zu erhöhen und den Druck zu vermindern (und umgekehrt), so daß die zwei Heißgasströme in verschiedene Richtungen strömen. Nur durch Umschaltung an der kalten Seite ist es möglich, die Druckverteilung so zu beeinflussen, daß die Strömungsrichtungen geändert werden. Eine solche fluiddynamische Umschaltung ist einfacher (günstiger in der Fertigung) und ermöglicht eine schnellere Umschaltung. Das Prinzip dieses Systems funktioniert auch dann, wenn die Druckniveaus von Abgas und Heißwind voneinander ab­ weichen.

Das vorgeschlagene Verfahren zum Umschalten einer Regeneratoranlage sei anhand von Bild 1 beispielhaft erläutert. Das vom Ventilator (9) geförderte kalte Gas (z. B. Luft) wird mit einer Durchflußrate, bspw. von 500 Nm³/h über die Umschalteinrichtung (7) dem Regenerator (1) zugeführt und verläßt diesen mit einer Temperatur von 1200°C über einen konvergenten Kanal (15) mit einem Eingangsquerschnitt von 180 cm² und einer Geschwindigkeit von 40 m/s bei einem Überdruck von ca. 30 mbar. Am Ende des konvergenten Kanals ist der Austrittsquerschnitt 45 cm² groß, die Gasgeschwindigkeit ent­ sprechend 160 m/s und der Druck ist um ca. 30 mbar auf Atmosphärendruck abgefallen. Der an­ schließende Kanal mit konstantem Querschnitt (16) ist an einer Seite über die radiale Öffnung (17) in der Kanalwand mit einem Zufuhrkanal (18) verbunden, in den die Verbrennungsgase aus einer Brennkammer (21) (oder Ofenabgase) geleitet werden.

Der Kanal (16) endet bei (19), wo sich dieser mit einem zweiten Kanal in genau spiegelbildlicher Anordnung, wie zuvor beschrieben, vereinigt. Die durch die Vereinigung bedingte Verdoppelung des Strömungsquerschnitts führt stromabwärts zu einer Verzögerung der Strömung und damit zu einem Druckanstieg. Eine weitere, diffusorartige Erweiterung im Heißwindsammelkanal (20) auf den Ausgangsquerschnitt von 180 cm² und die damit verbundene Verzögerung der Strömung auf eine Geschwindigkeit von 40 m/s bewirkt einen Anstieg des Drucks auf 20 mbar. An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß es für den Druckanstieg von entscheidender Bedeutung ist, unter welchem Winkel sich die beiden Kanäle (16) an der Kante (19) treffen. In der beispielhaften Ausführung beträgt dieser Winkel 60° (bei einem Winkel von 90° wäre der Druckanstieg nur halb so hoch).

Der Weg des Verbrennungsgases führt zwangsläufig aus der Brennkammer (21) durch den Sammelkanal (18) und die Öffnung (17) in den Diffusor (15) und weiter durch den Regenerator (2) und über die Umschalteinrichtung (7) zum Sauggebläse (8). Dieser Weg ist durch die Saugwirkung des Gebläses (8) vorgegeben. Dabei stellen sich folgende Druckverhältnisse ein:

Im Kanal (16) wird im Bereich der Öffnung (17) der Abgasstrom auf 160 m/s beschleunigt, so daß beim Eintritt in den Diffusor ein Unterdruck von 30 mbar erreicht wird. Dabei sind Form und Quer­ schnitt der Öffnung (17) wichtig zum Erzielen einer verlustarmen, kontinuierlichen Beschleunigung des Abgasstroms.

Im Diffusor (15) wird dieser Druckverlust größtenteils zurückgewonnen, so daß das Sauggebläse (8) im wesentlichen den Druckabfall des Regenerators zu decken hat. Somit bleibt für das beschriebe­ ne Umschaltverfahren insgesamt ein Druckverlust von 10 mbar am Diffusor (20) übrig.

Durch die Umschaltung der Ventile (7) an der kalten Seite wird die Funktion der Regeneratoren (1) und (2) umgekehrt.

Die Bilder 3, 4 und 5, die Ergebnisse einer Rechnersimulation sind, zeigen Geschwindigkeitsfeld, Druckverteilung und Strömungslinien im vorgeschlagenen "fluiddynamischen Ventil". Es wird deutlich, daß die Vermischung der beiden Gase nur geringfügig ist, daß eine gute Trennung ermöglicht wird und daß der totale Druckverlust durch ein solches System akzeptabel ist. Die numerische Simulation wurde durch das Rechnen mit scharfen Kanten stark vereinfacht, dadurch ergab sich aber ein etwas höherer Druckverlust von etwa 25 mbar. Bei einer richtigen Auslegung mit entsprechenden runden Kanten sollte der Druckverlust auf etwa 10 mbar reduziert werden können.

Auch andere Ausführungen solcher fluiddynamischer Ventile sind möglich. Beispielsweise zeigt Bild 6 eine platzsparende Auslegung. Der Kanal (18) zur Heißgaszufuhr ist senkrecht zu den anderen Kanälen ausgelegt, so daß das ganze System etwas kompakter wird. Auch die Öffnungen (17) in den Kanälen (16) sind beispielhaft einmal als Bohrungen und einmal als Längsschlitze dargestellt. Eine solche Ausführung würde die zwei Heißgasströme besser trennen, aber einen höheren Druckverlust bewirken. In jedem Fall muß gewährleistet sein, daß die Summe der Öffnungsquer­ schnitte von (17) größer ist als der Kanalquerschnitt von (16). Für eine bessere Gasverteilung kann man einen Ringspaltkanal (22) zur Versorgung der Öffnungen (17) vorsehen.

Beispielhaft wird das heiße Abgas im Bild 6 aus einem Ofen (23) durch Kanal (4) zugeführt, wobei die vorgewärmte Luft zum Ofenbrenner (24) zugeleitet wird. Die Ventilatoren (8) und (9) sowie die Umschalteinrichtung (7) werden ebenfalls benötigt, sind aber nicht in dem Bild dargestellt.

Das hier vorgestellte "fluiddynamische Ventil" kann sinnvoll eingesetzt werden, wenn eine geringfü­ gige Vermischung der beiden Medien zugelassen werden kann und wenn die Druckdifferenz zwischen den beiden Medien nicht zu groß ist.

Claims (3)

1. Vorrichtung für die Umschaltung von zwei Fluidströmen durch ein fluiddynamisches System, das ohne mechanisch bewegte Teile auskommt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Zuleitung ein kontinuierlich verengter Kanalabschnitt (15) anschließt, dem ein Rohrstück (16) mit konstantem Querschnitt folgt, das in radialer Richtung eine oder mehrere Öffnungen (17) oder einen umlaufenden Ringspalt (22) aufweist, die mit einem Zufuhrkanal (18) verbunden sind, der zum einen mit der entsprechenden, spiegelbildlich gleichen Einrichtung des zweiten Gefäßes und zum anderen mit der Zuleitung (4) des fluiddynamischen Systems verbunden ist, daß die verengten Kanalabschnitte (16) aus den beiden Leitungen derart gerichtet sind, daß sich ihre Achsen unter einem Winkel, der wenn möglich, nicht mehr als 90°, vorzugsweise 40-60° betragen sollte, schneiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Vereinigung (19) der beiden Leitungen (16) ein Diffusor (20) anschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zufuhrkanal (18) mit einer Brennkammer (21) oder mit einem Abgaskanal (4) aus einem Ofen (23) verbunden ist.