DE19933513C1 - Regenerator zur Wärmerückgewinnung - Google Patents

Abstract

Um eine einfache und kostengünstige Konstruktion für die Wärmerückgewinnung insbesondere in durchströmten technischen Anlagen, beispielsweise Industrieöfen, zu ermöglichen, wird eine Vorrichtung mit einem mindestens zwei Öffnungen aufweisenden Gehäuse, darin angeordneter selbsttragender Speichermasse und mindestens einem Vorsprung, auf dem die Speichermasse aufliegt, vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator zur Wärmerückgewinnung aus bei einem Wärmeprozeß anfallender Abwärme.

Zur Energieeinsparung hat die Wärmerückgewinnung insbesondere bei durchströmten technischen Anlagen, beispielsweise Industrieöfen besondere Bedeutung erlangt, und zwar speziell bei Anlagen, die mit einem erheblichen Anteil mit Außenluft betrieben werden. Das Prinzip dieser Wärmerückgewin­ nung basiert darauf, daß die Wärme des Abgases auf die Ansaugluft über­ tragen wird. Dadurch wird die notwendige Energie zur Wärmeerzeugung erheblich verringert.

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Wärmerückgewinnung bekannt. Beispielsweise werden zu diesem Zweck Rekuperatoren eingesetzt. Bei der­ artigen Vorrichtungen werden Abgas und Ansaugluft im Gegenstrom durch parallel nebeneinander liegende - beispielsweise aus metallenen Platten be­ stehende -Kanäle geführt. Der Wärmetausch vollzieht sich dann über die Trennflächen der Kanäle.

Nachteilig an diesen bekannten Rekuperatoren wirkt sich aus, daß sie nicht mit zu hohen Temperaturen beaufschlagt werden können, da die Kanalflä­ chen nicht überhitzt werden dürfen. Aufgrund der daraus resultierenden rela­ tiv geringen Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Ansaugluft ist der Wirkungsgrad der Rekuperatoren gering. Zudem müssen die Abgastempe­ raturen zur Vermeidung von Maximal-Temperaturüberschreitungen ständig überwacht werden, was einen zusätzlichen Aufwand während des Betriebs bedeutet.

Des weiteren ist es bekannt, zur Wärmerückgewinnung Regeneratoren ein­ zusetzen. Bei Regeneratoren wird die bei einem Wärmeprozeß anfallende Wärme von Speichermedien aufgenommen und anschließend an die für den Wärmeprozeß benötigten Frischprodukte abgegeben. Abluft und Ansaugluft durchfließen den Regenerator nacheinander. So werden zum Beispiel bei einer Regenerativfeuerung die noch erhebliche Wärmemengen enthaltenen Abgase durch Kammern (Regeneratoren) geleitet, die so ausgeführt sind, daß bei großer Oberfläche zur Wärmeaufnahme genügend freie Durchtritts­ querschnitte für die durchgeleiteten Gase vorhanden sind. Die Abgase ge­ ben ihre Wärme an in den Kammern befindliche Speichermasse ab. Diese Wärme wird darauffolgend an durch den Regenerator geleitete und durch die Kammern strömende Ansaugluft oder Brenngas abgegeben.

Die Regeneratoren weisen den Nachteil auf, daß ihre konstruktive Anord­ nung aufgrund der in einem Regenerator auftretenden Temperaturen und der verfügbaren Materialien vorbestimmt ist. Dabei ist es notwendig, daß die heiße Seite - das ist die dem Ofen zugewandte Seite - nach oben und die kalte Seite nach unten weist. Der Grund für die vorgegebene Anordnung be­ steht darin, daß die in dem Regenerator befindliche Speichermasse auf ei­ nem Rost aufliegt, der vermeidet, daß die Speichermasse aus dem Rege­ nerator herausfällt. Dieser Rost darf aus Gründen der Beständigkeit nicht zu heiß werden, so daß nur eine Anordnung des Rostes auf der kalten Seite in Frage kommt. Auf der heißen Seite werden Temperaturen von mehr als 1200°C erreicht. Es existiert kein Material, welches sich für eine mechani­ sche Lastabfangung bei diesen Temperaturen eignet. Da die Speichermasse sich über dem Rost befindet, muß die kalte Seite nach unten weisen, wo­ durch sich die Vorgabe für die konstruktive Anordnung ergibt.

Der Einsatz von Rosten aus Metall bringt die beschriebenen Nachteile einer Temperaturbeschränkung mit sich. Der Einsatz von Rosten aus anderen Materialien, beispielsweise temperaturbeständigem Keramik, kommt nicht in Frage, weil diese keine ausreichende Festigkeit aufweisen.

Durch die vorgegebene konstruktive Ausrichtung bekannter Regeneratoren sind aufwendige Rohrverlegungen notwendig. Diese führen zu erheblichen Baugrößen der Wärmerückgewinnungs-Vorrichtungen, die deren Einsatz in Anlagen mit begrenztem Raum unmöglich machen und darüber hinaus zu sehr hohen Investitionskosten führen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß die Speichermasse häufig aus Schüttgut besteht, das in separate Gehäuse gefüllt ist, die einen zusätzlichen Herstel­ lungsaufwand bedeuten und somit zu weiteren Investitionskosten führen. Zudem ist die Reinigung der Speichermasse bei diesen bekannten Regene­ ratoren sehr aufwendig. Diese wird dann notwendig, wenn die durch die Vor­ richtung geleiteten Gase staubhaltig sind. In einem solchen Fall muß die Speichermasse in mehrwöchentlichem Zyklus komplett ausgetauscht und gereinigt werden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 26 33 466 A1 ist ein Regenerator mit einer netzför­ migen Speichermasse bekannt, die aus Einsätzen mit Durchflußkanälen, Netzen mit zellenbildenden Elementen sowie Sammelrohren besteht. Diese Einzelbestandteile sind zu einem festen und starren Ganzen verbunden, so daß ein Austausch oder eine Reinigung der Speichermasse kaum möglich ist.

Diese Schwierigkeit stellt sich auch bei dem aus der US-Patentschrift 5 191 930 bekannten Regenerator. Diese umgibt mit einem kastenartigen, von Leitungssystemen durchzogenen Gehäuse eine zusammenhängende Speichermasse, deren Austausch somit weder vorgesehen noch möglich ist.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Regenerator zu schaffen, der in seiner Konstruktion einfach und kostengün­ stig ist, eine flexible Ausrichtung ermöglicht und den leichten Zugang zu mindestens einem Teil der Speichermasse erlaubt.

Dieses Problem wird durch einen Regenerator mit einem mindestens zwei Öffnungen aufweisenden Gehäuse, darin angeordneter selbsttragender und im wesentlichen formbeständiger Speichermasse und mindestens einem Stützbereich, auf dem die Speichermasse aufliegt, gelöst. Die Speichermasse weist ein Verschleißteil auf.

Der Gedanke, auf dem die Erfindung basiert, besteht darin, daß sich die Speichermasse aufgrund ihrer Formbeständigkeit auf dem Stützbereich ab­ stützt und keine zusätzlichen, die Ausrichtung der Vorrichtung bestimmen­ den, Bauteile erforderlich sind.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der Einsatz eines Rostes zur Abstützung der Speichermasse überflüssig. Dadurch wird es möglich, die heiße Seite sowohl oben, als auch unten anzuordnen - je nach dem, welche Anordnung sich besser in die Anlage integrieren läßt. Die Speichermasse kann nun sowohl kalt als auch heiß abgestützt und wahlweise von oben oder von unten heiß angeströmt werden. Durch die flexible Ausrichtung erübrigen sich aufwendige Verrohrungen, wodurch die Baugröße erheblich reduziert und die Investitionskosten gesenkt werden. Zudem ist ein Einbau in räumlich begrenzte Anlagen möglich. Durch den Einsatz einer selbsttragenden Spei­ chermasse werden die die Speichermasse in Form von Schüttgut aufneh­ menden Gehäuse überflüssig, was ebenfalls zu einer Kostenreduzierung beiträgt.

Die Speichermasse ist mindestens zweiteilig ausgeführt. Sie kann sowohl horizontal als auch vertikal oder in beide Richtungen geteilt sein. Als beson­ ders vorteilhaft hat sich herausgestellt, eine Teilung im Bereich des dem Ofen zugewandten Ende der Speichermasse vorzunehmen, so daß diese in einen dem Ofen abgewandten Monoblock und einen dem Ofen zugewandten Verschleißteil unterteilt wird. Das Verschleißteil dient dazu, die oftmals staubhaltigen aus dem Ofen tretenden Gase von Staub zu reinigen, so daß nur noch staubfreie Gase in den Monoblock gelangen. Zur Reinigung der Speichermasse genügt es dann, das leicht entfernbare Verschleißteil aus­ zutauschen; der Monoblock kann in der Wärmerückgewinnungs-Vorrichtung verbleiben und weiter verwendet werden. Es muß also immer nur ein kleiner Teil der Speichermasse ersetzt werden. Diese Vorgehensweise ist demnach wesentlich kostensparender als die Reinigung von bekannten Vorrichtungen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Speichermasse und einer in dem Gehäuse der Wärmerückgewinnungs-Vorrichtung angeordne­ ten Feuerfestummantelung ein Vlies angeordnet, welches gewährleistet, daß die Speichermasse relativ zur Feuerfestummantelung verschiebbar ist. Da­ durch treten bei unterschiedlichen Ausdehnungen infolge von Temperatur­ veränderungen keine ungewünschten Spannungen auf.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Regenerators besteht darin, daß sich dieser in eine herkömmliche Rohrleitung einbauen läßt. Dadurch entfal­ len zusätzliche Kosten für Spezialbauteile.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen an einem Ofen angeschlossenen er­ findungsgemäßen Rohrregenerator;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Rohrregenerators mit mehrteiliger Speichermasse und einer Detailzeichnung der Auflage der Speichermasse und

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Rohrregenerators mit mehrteiliger Speichermas­ se.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Industrieofens 1 mit einem erfindungsgemä­ ßen Regenerator 2 zur Wärmerückgewinnung dargestellt. Der Ausschnitt des Industrieofens 1 zeigt eine Wand 3 mit einem Brennerstein 4. Mit der Ofen­ wand 3 ist über einen Flansch 5 der Brenner 6 verbunden, der hier rechtwinklig aufgebaut ist, was bedeutet, daß die Einströmrichtung der Gase rechtwinklig zu deren Ausströmrichtung ausgerichtet ist. Mit dem anderen Ende des Brenners 6 ist der erfindungsgemäße Regenerator 2 über einen Flansch 7 verbunden. Der Regenerator 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet - wird daher im folgenden Rohrregenerator 2 genannt - und besteht aus einer Stahlhülle 8, einer Feuerfestummantelung 9 und formbeständiger Speichermasse 11, beispielsweise aus Wabenkörpern. Über einen weiteren Flansch 12 ist der Rohrregenerator 2 mit einer Leitung 13 verbunden, die als Ab- bzw. Zuleitung - je nach dem, ob gerade Abluft oder Ansaugluft durch die Regenerator geleitet wird - fungiert.

Der Rohrregenerator 2 wird wechselweise mit heißem Abgas 14 aus dem Ofen 1 und kalter, durch die Zuleitung 13 zugeführter Ansaugluft 15 durch­ strömt. Das Abgas 14 aus dem Ofen 1 tritt heiß in den Brenner 6 ein und wird dort rechtwinklig in den Rohrregenerator 2 umgelenkt. Das Abgas 14 durchströmt den Rohrregenerator 2 und die darin befindliche Speichermasse 11 in diesem Ausführungsbeispiel von oben nach unten. Es ist jedoch auch eine Ausrichtung des Rohrregenerators 2 möglich, bei der das Abgas 14 diesen von unten nach oben durchströmt. Das Abgas 14 gibt seine Wärme an die Speichermasse 11 ab und verläßt den Rohrregenerator 2 über die Ableitung 13 unten kalt. Nach einer definierten Zeitspanne wird der Rohrre­ generator 2 von kalter Ansaugluft 15 im Gegenstrom von unten nach oben durchströmt. Die Ansaugluft 15 nimmt dabei die an die Speichermasse ab­ gegebene Wärme auf. Sie kann dadurch bis auf ca. 1200°C und mehr er­ wärmt werden. Die an der Oberseite des Rohrregenerators 2 austretende heiße Ansaugluft 15 wird im Brenner 6 mit Brenngas 16, beispielsweise Erdgas, gemischt, im Brennerstein 4 verbrannt und beheizt dann den Ofen 1. Die Dimensionen des Rohrregenerators 2 können an die der jeweiligen An­ lage entsprechenden Bedingungen angepaßt werden.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Rohrregenerator 2 schematisch darge­ stellt. Er besteht aus einem zylindrischen oder rechtwinkligen Metallgehäuse 8, das mit Feuerfestmasse 9 ausgekleidet ist. Die Speichermasse 11 befin­ det sich in der Feuerfestummantelung 9. Sie weist eine Gesamthöhe von 1000 mm und einen rechtwinkligen Querschnitt von 150 mm² auf.

Die Speichermasse 11 ist an ihrem oberen Ende horizontal in ein 100 mm langes Verschleißteil 17 und einen 900 mm langen Monoblock 18 geteilt. Das Verschleißteil 17 fängt sämtlichen Staub und andere korrosive Elemente auf, so daß in den Monoblock 18 kein Staub eindringt und dieser nicht aus­ gewechselt werden muß. Durch Trennen der Flanschverbindung 7 mit dem Brenner 6 kann das Verschleißteil 17, wenn es mit Staub zugesetzt ist, leicht entfernt und durch ein neues, sauberes ersetzt werden. Der Monoblock 18 verbleibt in dem Rohrregenerator 2. Auf diese Weise kann der Rohrregene­ rator 2 einfach und kostengünstig gereinigt werden.

In der Detailzeichnung der Fig. 2 ist ein Vorsprung 19, auf dem die Spei­ chermasse 11 aufliegt, zu erkennen. Er ist in Form einer Querschnittsverjün­ gung des Innenraums des Rohrregenerators 2 ausgeführt und besteht ebenfalls aus Feuerfestmasse 9. Auf diesen Vorsprung 19 wird die Spei­ chermasse 11 aufgesetzt. Die formbeständige Speichermasse 11 ist selbst­ tragend. Es werden somit keine weiteren Regeneratoren zur Auflagerung, wie beispielsweise Roste oder separate Gehäuse, benötigt.

Der Detailzeichnung ist weiterhin zu entnehmen, daß zwischen der Feuer­ festummantelung 9 und der Speichermasse 11 ein Vlies 21 angeordnet ist. Dieses ermöglicht eine Relativbewegung zwischen Speichermasse 11 und Feuerfestummantelung 9, durch die Spannungen infolge unterschiedlicher Ausdehnungen aufgrund von Temperaturänderungen vermieden werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rohrregenerators 2 dar­ gestellt, bei dem die Speichermasse 11 senkrecht geteilt ist und aus mehre­ ren Wabenkörpern 22 besteht. Sie kann wahlweise aus zwei nebeneinander oder vier im Viereck angeordneten Wabenkörpern 22 bestehen. Die einzelnen Wabenkörper 22 können einen Querschnitt von 150 mm² aufweisen. Am unteren Ende des Rohrregenerators liegen die Wabenkörper mit ihren nach außen weisenden Seiten auf einem Vorsprung 19 auf. In der Mitte stützen sie sich in horizontaler Richtung gegeneinander ab, so daß eine stabile Speichermasse 11 vorliegt. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine zu­ sätzliche horizontale Teilung der Speichermasse 11 in mehrere dem ofen­ seitigen Ende des Regenerators 2 zugewandte austauschbare Verschleiß­ teile 17 und mehrere dem entgegengesetzen Ende zugewandten Mono­ blöcke 18 denkbar.

Claims (9)

1. Regenerator zur Wärmerückgewinnung mit

• - einem mindestens zwei Öffnungen aufweisenden Gehäuse,
• - im Inneren des Gehäuses angeordneter, selbsttragender und im wesentlichen formbeständiger Speichermasse (11) mit mindestens einem Verschleißteil (17) und
• - mindestens einem Stützbereich (19), auf dem die Speichermasse aufliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Stahlhülle (8) aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Feuerfestummantelung (9) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Vorsprung (19) aus Feuerfestummantelung.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein zwi­ schen Feuerfestummantelung (9) und Speichermasse (11) angeordnetes Vlies (21).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (11) mehrteilig ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (11) aus Wabenkörpern (22) besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (11) mindestens einmal horizontal und/oder vertikal geteilt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (11) ein leicht entnehmbares Verschleißteil (17) aufweist.