DE2026021A1 - Wärmeaustausch-Kiesel für Regenerativwärmeaustauscher - Google Patents

Description

DR. INO. B. HOFFMANN · DIPL. INO. W. BITLB · DR. RBR. NAT. ILJHQ FATB WTAJf WJ.LTB . D.IM· MÖNCHEN » - ARAIItUiItAIIf 4 . Till ΙΌΝ IN 11) It MT

NQK Insulators, Ltd., Nagoya City/ Japan, und Kureha Chemical Industry Co., Ltd., Tokyo / Japan

WqTmeaustomch-Kiesel IUr Regenerativ«»wärmeaustauscher

Bei einem bekannten Reg*nerat(v>»Wdrmeaustau*cher werden Wärmeaustqusch-Kiesel verwendet« die aus einem feuerfesten Material hergestellt slnd_t um die wäeeergie Vn den Kieseln zu speichern« HDIe gasförmigen Stoffe, welche mit den Wurmeaustausch-KIeseln erhitzt werden sollen, werden da- mit derm In Berührung gebracht· Durch wiederholte Vornahme der Aufhetzung der Kl·*ei und dem Kontakt des gasförmigen Materials mit efsfi KleeeJ* Harp dessen Temperatur mit hoher Wirksamkeit erhöht werden·

DIe-In solchen Regeneratlv-WlSrmeaustauechern verwendeten Kieeei lie» gef/gewiihnllch In kugelförmiger oder zylindrischer Form vor· Die QrCM*

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der einzelnen PeHeIs hängt von der geforderten Gröüe der. WärmeUbertro- gungsoberfläch® und vesn ö@m tpogtesren Druckverlust ab₀ O&r durchschnitt- · liehe .Durchmesser voo solchen Wärmoousteusch-Klesein lieg! gewöhnlich Im Bereich von 10 mm bis 40 mm«

Das Material der Wämrieaustausch<*Kieseln hängt vor» der Arbeitstemperatur ab. Meistens wird ©So hoehfeuarb®ständ5ges OxycSratsrüal mit ©Inen·· bchmelzpunkt von mehr als 150O⁰Gj, wie Alumlniurnoxyd, Magnesiumoxyd und Zirkoniumoxyd,verwend®t_e Dieses OxydnnateriöS wird nach Verfahren hergestellt, welche den In der keramischen Industrie gebrauch!Sehen Verfahren entsprechen,, d«he durch V®rkneten_B Verformen und Brennen» Dl© scheinbare Poror sltät der herkammllcherwelse verwendet©« Wärmeoustausch-Kleseln liegt Im Bereich von nahezu 0%, was einer porzellanartigen, d.h· undurchlässigen Struktur entspricht, bis zu etwa 20%, was einer ziegelartigen Struktur gleichkommt·

Diese herkömmlichen Wärmeaustauscher haben jedoch den Nachteil, daß die einzelnen Kiesel einer gegenseitigen Anhaftung, Wärmedeformation und einer Strukturverschlechterung unterworfen sind, welche durch die beim Wärmeaustauschbetrieb auftretenden Temperaturänderungen bedingt sind· Die Wärmeaustausch-KSes»! werden daher durch das wiederholte Erhitzen und Kühlen gespalten, wobei Im schlimmsten Falle die Wärmeaustausch-Kiesel schon bald nach Ingebrauchnahme zerstört sind«

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurden schon verschiedene Versuche angestellt· So wurde versucht, das gegenseitige Anhaften oder Zusammensintern der einzelnen Kiesel durch Erhöhen der Reinheit der verwendeten Materlallen zu verhindern. Ferner wurde versucht, die Deformierung durch Brennen bei höheren Temperaturen und die durch das wiederholte Erhitzen und Abkühlen bewirkte Verschlechterung der mechanischen Festigkeit durch hydrostatisches Verformen der Kiesel zu verhindern. Diese Versuche haben jedoch noch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt.

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Es wurde nun gefunden, daß die vorstehenden Schwierigkeiten behoben werden können, wenn df β Wärmeaustausch-Kiesel aus geeignetem Oxydmate H öl, , z.B. Aluminiumoxyd, Magneslurroxyd, stabilisiertem Zirkoniurroxyd etc,, durch elektrisches Schmelzen und durch nachfolgendes Abkühlen und Zerkleinern hergestellt werden, üos zerkleinerte üxydmaterlal \\ird sodann zum Erhalt einer gleichförmigen KorngröSe gesiebt«

Als Ausgangsprodukte können folgende Stoffe verwendet werdens Aluminiumoxyd, welches aus Alumlniumoxyd-Bauxlt besteht, das nach dem Bayer-Verfahren hergestellt Ist, oder Aluminiumoxyd mit einer dem MuIIIt entsprechenden Zusammensetzung, das einen relativ hohen Slllziumoxyd-Gehalt aufweist, Magnesiumoxyd In Form von Magnesiumoxya-Kl Inker, .Magnesiumpulver mit hoher Reinheit oder Magnesiumoxyd mit einem gee I one ten Ghromlt-Caehait, oder stabilisiertes ZIrkonoxyd, welches aus Zlrkonoxyd besteht, das aus Zlrkonsand, Baddeleyit oder dergleichen hergestellt Ist, und einem Stabilisator, wie Calclumoxyd, Magnesiumoxyd und Yttriumoxyde Öle Ausgangsstoffe werden in einem Bogenofen geschmolzen,, weis»! erforderlichenfalls Kohlenstoff zugesetzt wird·

Das Ausgangsmaterlai wird kontinuierlich erhitzt» bis§ «tos geschmolzene Bad der Ausgangsstoffe den Ofen auffüllt, Darm wird das Erhitzen durch Abschalten des elektrischen Stroms abocen. Oos auf diese Weise erhaltene Schmelzbad kann allmählich abgekühlt werden, indem es eine Zeitlang stehengelassen wird* Es wird jedoch bevorzugt, es durch Abstechen schnei I abzukühlen.

Im Falle des Abstechern wird durch den unteren Teil der Seitenwand des Ofens eine kleine Öffnuno gebohrt₉ so do8 das geschmolzene Material In eine Qleepfanne strömen kann· Darin wird das Mater!ai In Form einer verhält-» nlsmtieig dUrmen Platte abgeschreckt.

Das rasche Abkühlen ist vorzuziehen, well durch das Abschrecken das Kristall wachstum In dem Material unterdrückt wird, so daß die Widerstandsfähig»

kelt des Materials gegenüber einem wiederholten Erhitzen und Abkühlen verbessert wird. Auf diese Welse kann die Haltbarkeit der Wärmeaustausch-Kiesel gesteigert werden.

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üas abgekühlte und verfestigte Material wird In einer geeigneten Zerkielnerungse !nr ichtung, beispielsweise einem backenbrecher*, zu Barren mit einer mäßigen Grö3o zerkleinert* Sodann erfolgt eine Siebung, um varmeaustausch-Klesel mit einsrr. einheitlichen Durchmesser von 10 bis AQ mm herzustellen.

Die Erfindung soll nachstehena anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden· .

FIg. 1 zeigt einen Regeneratlv-'.värmeaustauscher mit Schichten aus den

erfindungsgemäßen Wärme austausch-KIeseln.

*

Flg. 2 stellt ein Diagramm dar, welches ale Abhängigkeit des Druckabfalls

von der Betrtebszeit in einem Regeneratlv-Wärmeaustauscher zeigt, in welchem die erflndungsgemäSen Wärmeaustausch-Kiesel verwendet werden·

Die Flg. 1 zeigt ein Paar Reg@nerat!v-Wärmeaus tauscher 1 ₍ 1, wie sie im allgemeinen vorzugsweise ®lng®&®lzi werden und die parallel angeordnet sind. Auf diese Welse kann kontlnuleri9eh Heißluft hergestellt werden» indem der eine der beiden Wärmeaustauscher zum Erhitzen der Luft benutzt wird, während das Brertngcss Im anderen Wärmeaustauscher zugeführt wird, um die Kiesel aufzuheizen· Dies geschieht abwechslungsweise·

Zunächst soll der Betrieb der βΐηχβίηβη Wörm9»austousch@r 1 beschrieben

werden· Wenn dl· höchst« Temperatur des Wämwauetousßhsrs 1@00°C beträgt, dann Ist «s mugllch® ώ|# beiod^ften Schichten des Wärmeesu&tauschers 1 mit Aluminiumoxyd allein, befsplelsweise mit den «Klndi<ngsa«mäSen

meaustauseh-Kleseln, zu füllen·

9».

Es Ist zu lHMichten₉ daS dl« WUrm«austauedi<4<l®ffiel gemäS der ^«r5 aasenden Erfindung autih In R'SgÄnerotSv^^mwsiistmcäch®?^ mit te©w@glSch»m Bett benutzt werden können·

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Die für solche Regenerativ-Adrmeaustauscher verwendeten Wärmeaustausch Kiesel sind bis jetzt dadurch hergestellt worden, da3 ein geeignetes Ausgangsmaterlal verknetet, geformt und gebrannt wurde« Die Heidfestigkeit der so hergestellten Wärmeaustausch-Kiesel hängt von aer HelBfestigkelt eier gebundensn Teile aer Cxyae, die aurch das arennen gebildet werden, ab. Allgemein gesprochen ist die He|:3festlgkelt solcher gebundener Teile erheblich niedriger als diejenige der einzelnen Körner oder Teilchen des Oxyds. Das Fehlen einer strukturellen «leichmäälgkelt der herkömmliehen Wärmeaustausch-Kiesel bewirkt auch deren Verschlechterung während eines wiederholten Erhltzens und AbkUhlems.

Demgegenüber sind die Wärmeaustausch-Kiesel gemäß der Erfindung durch Zerkleinern und Sieben von Barren aus geeignetem Oxydmaterlal hergestellt· Dieses Oxydmaterial Ist nach dem elektrischen Schmelzen verfestigt worden· Daher sind die Wärmeaustausch-Kiesel gemäS der Erfindung vollständig von jeglichen Bnaungen der herkömmlichen wärmeaustausch-Kleset frei, die durch das Brennen erzeugt sind· Die erfindungsgemä3en Wärmeaustausch-Kiesel bestehen aus Körnern oder Teilchen der Oxyd· in einer gleichförmigen Phase« DemgemäS Ist ale Heldfestigkeit der erfindungsgemäßen Wärmeaustausch-Kiesel erheblich höher al« diejenige von herkömmlichen Wärmeaustausch-Kieseln· Daher werden dl· Wärmeaustausch-Kies·! der Erfindung niemals deformiert oder sintern zusammen, und zwar selbst dann nicht, wenn bei hohen Temperaturen und Über lang· Zeiträume schwere Belastungen auf si· ausgeübt werden·

Die Wärmeaustausch-Kiesel gemö.3 der Erfindung besitzen ferner eine senf gute Beständigkeit,' da sie gegenüber einem wiederholten Erhitzen und Ab» kühlen eine hohe Beständigkeit besitzen. Sie besitzen auch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber einem thermischen Schock, der Im Verlauf des Betriebs eines Regeneratlv-WUrmeaustouschers auf die Wärmeaustausch·· Kiesel ausgeübt werden könnt·.

Die er/!ndung»gemä8en Kiesel sind daher keiner Aufspaltung und Zerstörung 'unterworfen, wie es bei den bekannten Wärmeaustausch-Kieseln der Fall Ist. Dadurch w}rd eine lange Betriebsdauer gewährleistet·

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UIe Fig« Z steigt al· Verbesserung aar mit den erflndungsgerv.uJen λ dm a-

austausch-Kle^eln am Vergleich tu bekannten Kieseln ©rhaltS lehen tsetriebs-β I gens chatten e In· ulagrimim der Flg_e 2 stellt äS© Abszisse ui@ Zelt, angegobtn In stunden, oar ^ Wahrena die Ordinate den üruckafofal! in cen mit aen .Aänrieoustauseh-Klesaln belauoners ochicSiten angibt»

Wenn dl« taärwecusteusch=>KS®6ol!- riaeb Auterlmgerii o@r Belastung erweichen oder deformiert w*rd@r% tew« zusammensIntern, dann können sie aufgespalten und zerstört werden, wodurch die Fl l&Sgeschwindlgkelt des ciuourch strömenden laases verringert wird· uodurch wird der Uruckabfail über aie Schichten der Wämwaustauseh-Klesei erhöht. Öle Zunahaio des Druckub» falls Über die Wärmeoustousch-Ktesel-^chlchten gibt daher deren Betriebsdauer an·

In der Flg. 2 zeigen die Kurven a, b und c das ZeJt-DruckabfaU-Verhalten der erflndungsgemäßen wdrmeaustausch-Kleselg währena sich oie Kurven d_t e und f auf das entsprechende Verhalten der bekannten ^urmeaustausch-Kleseln beziehen, die durch Verkneten von Körnern oder pulverförmiger! Teilchen von geeigneten üxyomaterlailen, Verformung aes so vörKneteten KaterIaIs una Brennen der erhaltenen Formkörper hergestellt sind. UIe gestrichelte Linie Ap„ gibt den kritischen Druckabfall an. Oer Regenerativ-Wörmeoustauscher wird betriebsunfähig, wenn der Druckabfall den kritischen Wert /^P. erreicht oder darüber ansteigt. Aus Fig. 2 wird erslcht-Hch» αοβ bei Verwendung der herkömmlichen Wärmeaustausch-Kiesel der Wärmeaustauscher bereits nach einer relativ kurzen betrlebsperlode betriebsunfähig wird· Demgegenüber können die Wärmeaustausch-Kiesel gemäß der Erfindung' In Regeneratlv-Wärmeaustauscher eine fast unbegrenzte Zelt lang verwendet werden·

Aufgrund dieser Verlängerung der Lebensdauer werden die effektiven Kosten Wr die Wärmeaustausch-Kiesel erheblich verringert.

Die Erfindung wird In dem nachstehen-den Beispiel erläutert.

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Beispiel

Unter Verwendung eines dreiphasigen 400 KVA-elektrlsehen Bogenofens wurden Aluminiumoxyd, fcagneslumoxyd und stabilisiertes Zlrkonoxyd getrennt geschmolzen und hierauf abgekühlt. Öle abgekühlten festen Oxydmaterial len wurden zerkleinert und so gesiebt, daß Proben der verschiedenen Wärmeaustausch-Kiesel rr.it einem Durchmesser der einzelnen Körner von 10 b*s 20 mm erhalten wurden«

Zu Vergleichszwecken wurden auf die herkömmliche Welse Proben der herkömmlichen Wärmeaustausch-Kiesel hergestellt. Dies geschah durch Verkneten geeigneter Ausgangsmoterlallen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie die erflndungsgemäeen Kiesel, durch Verformung der erhaltenen Materlallen zu kugelförmigen Wärmeaustausch-Kieseln mit einem Durchmesser von 15 mm, was durch hydrostatisches Verformen geschah, und schließlich durch Brennen der erhaltenen Formkörper· Ferner wurden Proben von handelsüblichen Wärmeaustausch-Kieseln gesammelt·

Mit den erhaltenen Proben wurden entsprechende Versuch» durchgeführt, ülese Versuche schlossen «In wiederholtes erhitzen und Abkühlen bei verschiedenen Temperaturen ein. Hierbei wurden die einzelnen Testproben jeweils fUr sich In die Testvorrichtung eingepackt. Als letztere wurde ein Ofen mit einem Innendurchmesser von 50 mm verwendet, der mit einem Brenner und einer sekundären Luftelnladleltung für die Temperaturreguilerung versehen war· Beide waren an dem Oberteil der Testvorrichtung angeordnet· Nach dem einbringen der Jeweiligen Testproben wurde ein Verbrennungsgas auf die jeweiligen Wärmeoustausch-Kleselgerichtet, welches noch dem Durchströmen der Kiesel-Probe noch außen abgelassen wurde·

Die Temperatur der Proben wurde verändert, Indem die Flle8geschwlndlgkelt der Luft durch dl· sekundäre i_ufte!nlaS!eltung der Versuchsvorrichtung reguliert wurde, so daß die Temperatur jeder Probe In Intervallen mit 4 Minuten zwischen den oberen und unteren Grenzen erhöht und erniedrigt wurde. Die einzelnen Grenzen variierten folgendermaßen In Abhängigkeit von

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dem NiateHal der einzelnen Probens 1100 bis 1500°C bei Alumlnlurr.oxyd, 1400 bis 1800⁰G bei Magneslumoxyd unu 1700 bis 2100⁰C bei Zirkonoxyd.

Die Tamperatur wurd© unter V©nw©näufsg eines-thermoelektrisch®« Paars und eines Strahlungspyrometers, eile vorgeeScht worden waren, bestimmt« Die TemperatunmessungseinrSchlungen waren mjt ®!n©m Schreiber verbunden. Jeder der Versuche dauert® 100 Stunden (mit 1500 Erhltzung&zyklen)· Der Versuch wurde abgebrochen,, wenn dar DruekcabfaH zwischen den Wärmeausiausch-Klesel-Schächtsri über dm vorbestimmten Wart anstieg»

In Tabelle 1 sind dt® physikalischen Eigenoehaföeni der Testproben und die erhaltenen Ergebnisse zusammeng@st@yfu

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-S-

Tabelle 1

Proben Schütt-

Probe Chemische Zu- dichte«

sammensetzung (g/cm ) Scheinbar· Ergebnisse des zyklischen Porosität Erhltzens und AbkUhlens (%) Tempera- Ergebnisse

tür (⁰C)

£ 1

•Ρ⁴

* 6

Aluminiumoxyd
(O₃, 90%)

Aleminiumoxyd 3,50 10,0

(O₃, 99%)

3,30 8,1

2,95 7,2

3,25 4,0

3,30 3,2

5,40 2,1

5,30 4,0

5,35 2,5

Aluminiumoxyd
(AI₂O₃, 70%)

Magnesiumoxyd
(MgO, 98%)

Magnesiumoxyd
(MgO, 80%)

Zlrkonoxyd
(ZrO , 96%)
(CaOf3,5%)

Zlrkonoxyd
(ZrO , 96%,
MgO *3,5%)

Zlrkonoxyd
(ΖΓΟ , 92%

1.100

I
1.500

1.100 1.500 1.100 1.500 1.400 1.800 1.400 1.800 1.700 2.100

1.700 2.100

1.700 2.100

Keine ersichtliche Veränderung

ditto ditto

brüchig, aber nicht gebrochen

ditto

brüchig, aber nicht gebrochen, keine Sinterung

Teilweise In zwei oder mehrere Stücke aufgespalten

rissig, aber nicht gebrochen

Aluminiumoxyd 3,65 Ο-, 9ö%J

Aluminiumoxyd 3,30 (O₃, 90%)

Aluminiumoxyd 2,8 (AO₃, 66%)

S 12 Magnesiumoxyd 3,20

Magnesiumo
(MgO, ge%)

1.100 1*500

1.100 1.500

1.100 1.500

1.400 1.800

teilweise in drei oder mehrer· Stück· aufgebrochen

zu drei oder mehreren Stücken aufgebrochen

erheblich zusammengesintert, zu dr«l oder mehreren Stücken aufgebrochen

zu drei oder mehreren Stücken aufgebrochen

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Fortsetzung Tabelle Proben bchütt- Scheinbare Ergebnisse oes zyklischen

Probe Chemische Zu- dichte Porosität Erhltzens und Abkühl ens Nr. sammensetzung fa/cm ) (%) Tempera- Ergebnisse

tür (⁰C)

15

Zirkonoxyd (ZrO , 96%, CaO, 4%)

Zirkonoxyd (ZrO , 96%, , 3,5%)

Zirkonoxyd (ZrO , 92%,

5,43

5,50

5,40

0,5

0,3
1,0

1.700 2,100

1.700 2.100

1.700 2.100

zu drei oder mehreren StUkken aufgebrochen, teilweise gesiebt

ditto

zu drei oder mehreren StUkken aufgebrochen

Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Wdrmeaustausch-Kiesel gegenüber einem wiederholten zyklischen Erhitzen una Abkühlen äuäerst gut beständig sind. Es wurde gleichfalls festgesteJlt, daö die erfindungsgemä3en Wärmeaustausch-Kiesel von einem Zusammensintern und einer Deformation frei sind und daß die Kiesel ausgezeichnete Heiafestigkelten besitzen*

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Claims (1)

1. Potent onspriich e

   Λ J wvärmeaustausch-Klesel für Regemrativ~Wärm«austouscher mit sehr guter Beständigkeit gegen zyklisches Erhitzen und Abkühlen und sehr guter Helölast-bruchfestlgkelt, dadurch gekennzeichnet, da3 sie ous einer zerkleinerten Niosse aus einem geschmolzenen Oxyornateriat mit einer gleichförmigen Grtföe aer einzelnen Kiesel bestehen, wobei aas Oxyd Aluminiumoxyd, Niagnesiurroxya und/oder stabiiisiertes Zlrnonoxyd ist·

   2» Verfahren zur Herstellung von Wurmeaustauseh-Kieseln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Oxydmaterial aus der Gruppe Aluminiumoxyd, Nogneslumoxyd und stabilisiertes Zirkonoxyd elektrisch schmilzt, das geschmolzen« Oxyd abkühlt, zerkleinert und zur Erzielung einer gleichförmigen Οτοββ siebt·

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennze Ichnet „ daS man aas geschmolzene Oxyd rasch abkühlt»

   4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, äaourch gesinnte lehnet, daa das stabilisiert· Zirkonoxyd mindesten» «Inen Stabilisator aus der Gruppe Calclumcxyd, Magneslumoxyd und Yttriumoxyd «mhält·

   5· Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daS dl· Teilchen «Ine glelchfürmlg· Komgröe· mit einem Durchmesser von 10 mm bis 40 mm aufweisen·

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