DE2419778C3 - Regenerativwärmetauscher für Gase hoher Temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerativwärmetauscher für Gase hoher Temperatur mit Formkörpern, die der Gasführung dienen und in denen Schüttungen von Kugeln oder ähnlichen Schüttkörpern (kurz »Kugeln«) aus wärmespeicherndem Material angeordnet sind.

Das DE-GM 19 70 563 offenbart einen solchen Regenerativwärmetauscher, dessen Schüttkörper beispielsweise einen Durchmesser unter 10 mm aufweisen. Die der Gasführung dienenden Formkörper weisen schmalrechteckigen Querschnitt auf und sind jalcusieartig übereinander angeordnet. S lierbei sind die Formkörper paarweise und entgegengesetzt verlaufender Neigung vorgesehen. Die von diesen Formkörpern gehaltene Schüttung hat im wesentlichen die Form einer Wand, die im Rhythmus der Teilung der jalousieartig übereinander angeordneten Formkörper wechselnde Dicke aufweist Die Gase werden daher nicht gleichmäßig durch die Schüttung geführt, sondern sie nehmen den Weg des geringsten Widerstandes und durchqueren die Schüttung an den jeweils dünnen Stellen. Es wird somit nur ein Teil der Schüttung für den angestrebten Zweck ausgenützt. Der weitaus größere Teil der Schüttkörper nimmt an dem Vorwärmprozeß nur in geringem Ausmaß oder gar nicht teil.

In der DE-PS 9 14 049 ist ein Regenerativvorwärmer beschrieben, bei dem die Schüttung zwischen Metallgittern oder gelochten bzw. sonstwie durchbrochenen gewellten Platten od. dgl. aus Metall angeordnet ist. Diese Netze, Siebe, Bleche, bilden mehrere koaxiale, im Abstand voneinander befindliche und von den Gasen radial beaufschlagte Hohlzylinder. Solche Regenerativvorwärmer sind für hohe Temperaturen, das sind Temperaturen, wie z. B. 600° und darüber, nicht ohne weiteres geeignet, weil die hierfür erforderliche hochwertige Metallegierung zu teuer ist. Auch ist die Festigkeit bei so hohen Temperaturen ungenügend, weshalb nur geringe Zylinderhöhen möglich sind und die Abmessungen der Einrichtung für eine vorgegebene Leistung zu groß wird.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile der bekannten Einrichtung und darüber hinaus die Schaffung eines Regenerativwärmetauschers, der in hohem Maße die Schüttung gleichmäßig ausnützt und bei dem durch Verwendung hochtemperaturfester Formkörper sowohl der Raumbedarf als auch die Kosten gegenüber den bekannten Einrichtungen weit herabgesetzt sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die übereinander angeordneten Formkörper einen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweisen und mit ihrer Unterkante bzw. mit einer nach unten weisenden Rippe in die im jeweils darunter befindlichen Formkörper enthaltene Schüttung eintauchen. Dadurch sind die Gase gehindert, ausschließlich den kürzesten Weg durch die Schüttung zu nehmen, weil innerhalb jedes V- oder U-förmig verlaufenden Gasströmungsweges die Differenz zwischen dem kürzesten und längsten Strömungsfaden gering ist.

Um einen geringen Druckabfall zu erreichen, sollen die Strömungswege kurz sein. Hier kann die Länge der Strömungsfäden dadurch annähernd gleich lang gehalten werden, daß zwischen der jeweils im aufsteigenden und absteigenden Ast des Strömungsweges befindlichen Schüttung eine weitere Schüttung größerer Schüttkörper angeordnet wird. Anstelle dieser Schüttung größerer Schüttkörper kann auch eine Kammer treten.

Werden die Schüttungen verhältnismäßig hoch ausgeführt, so ergibt sich eine Zwischenschüttung bzw. ein Umlenkraum. Es ist zweckmäßig, für diese Zwischenschüttung Kugeln vorzusehen, deren Durchmesser etwa das 1,5- bis 3fache des Durchmessers der

anderen Kugeln beträgt.

Zur weiteren Vergleichmäßigung der die Schüttung durchströmenden Gase und damit zur bestmöglichen Ausnützung des Wärmespeichervermögens kann die Schüttung aus mehreren Schichten mit unterschiedlich großen Kugeln bestehen.

Wird anstelle einer Zwischenschüttung ein Umlenkraum vorgesehen, so ist es vorteilhaft, die Schüttung zwischen zwei Lochplatten vorzusehen, die an ihrer der Schüttung zugewendeten Flächen mit den Bohrungen ^ der Lochplatten kommunizierende Rillen aufweisen. Eine Verstopfung der Bohrungen kann dadurch verhindert werden, daß die Breite der Rillen kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln der benachbarten Schüttung. Die Rillen stehen mit der von der Schüttung abgewendeten Seite der Lochplatte vorzugsweise mit Bohrungen in Verbindung, welche die Rillen nur anschneiden.

In Ausgestaltung der Erfindung kann de- Wärmetauscher entweder so aufgebaut sein, daß die Formkörper, wie an sich bekannt, mehrere koaxiale. Abstand voneinander aufweisende Hohlzylinder bilden, die von den Gasen radial beaufschlagt und vorzugsweise um ihre gemeinsame Achse drehbar gelagert sind und für ihre Rotation ein Antrieb vorgesehen ist oder daß die Formkörper, wie an sich bekannt, mehrere koaxiale. Abstand voneinander aufweisende Hohlzylinder bilden, die von den Gasen radial beaufschlagt sind und stirnseitig eine die Zu- und Abführungen der Gase aufweisende Haube vorgesehen und zwischen dieser und den Zylindern ein Drehschieber angeordnet ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsformen schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 .Schüttungen in Formkörpern mit V-förmigem Querschnitt, F i g. 2 Schüttungen, die geschichtet sind,

F i g. 3 Schüttungen in Formkörpern mit U-förmigem Querschnitt,

F i g. 4 SchUttungen zwischen Lochplatten,

F i g. 5 eine Einzelheit der Lochplatten in Draufsicht,

Fig.6 und 7 einen Wärmetauscher im Längs- und Querschnitt.

Gemäß Fig. 1 sind mehrere Formkörper 1 mit V-förmigem Querschnitt übereinander angeordnet. Sie sind in ihrem unteren Teil mit einer Schüttung 2 aus Kugeln mit 8 mm Durchmesser versehen. Zur Verringerung der Zahl der Kugeln ist eine Einlage 3 vorgesehen. Der Abstand difiser Einlage von der Unterkante 4 des darüber befindlichen Formkörpers 1 ist vorzugsweise gleich dem Abstand zwischen zwei Formkörpern 1 gemessen senkrecht zu ihren Schenkeln. Auf der Schüttung 2 befinden sich beiderseits weitere Schüttungen 5, die aus Kugeln vor 4 mm Durchmesser bestehen.

Die ihre Wärme abgebenden Gase bzw. die vorzuwärmenden Gase durchströmen zunächst die erste Schüttung 5, sodann die Schüttung 2, in der sie trotz ungleich langer Weglängen eine gleichmäßige Strömung aufweisen, und sodann die zweite Schüttung 5.

Um eine weitere Vergleichmäßigung der Gasströ- ω mung in den einzelnen Schüttungen zu erzielen, können diese geschichtet sein, wobei Kugeln unterschiedlichen Durchmessers zur Verwendung gelangen. Gemäß Fig. 2 besteht die unterste Schüttung 2 aus Kugeln größeren Durchmessers, während die Schüttungen 6 abwechselnd aus Schichten 7 mit Kugeln kleineren Durchmessers und Schichten 8 mit Kugeln größeren Durchmessers bestehen. Hierbei ist es zweckmäßig, die oberste Schicht aus großen Kugeln zu bilden, um ein Abheben der kleineren Kugeln durch die abströmenden Gase zu verhindern.

Die Formkörper können auch einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wie dies die F i g. 3 zeigt. Hierbei sind die Formkörper 9 an ihrem Boden mit einer Rippe 10 versehen, mit der sie in die Schüttung des darunter befindlichen Formkörpers eintauchen. Auch hier sind drei Schüttungen vorgesehen, nämlich eine Schicht 11 aus großen Kugeln und zwei Schichten 12 aus kleineren Kugeln.

In Fig.4 ist eine weitere Art der Anordnung der Schüttungen gezeigt Der Formkörper 13 mit U-förmigem Querschnitt weist eine Rippe 14 auf, welche die Schüttung 15 des darunter befindlichen Formkörpers durchsetzt Diese Schüttung stützt sich auf einer Lochplatte 16 mit Bohrungen 17 ab. In F i g. 5 ist ein Teil der der Schüttung 15 zugewendeten Fläche dargestellt. Diese Fläche weist ein Netz vor Rillen 18 auf, das mit den Bohrungen 17 kommuniziert. Die Breite der Rillen 18 ist kleiner als der Durchmesser der Kugeln, um eine Verstopfung der Bohrungen 17 zu vermeiden. Um ein Abheben der Kugeln zu verhindern, sind die Schüttungen 15 mit analogen Lochplatten 19 abgedeckt. Tritt kein Wechsel in der Richtung der Gasströmung ein, so genügt es, eine der Schüttungen 15 abzudecken. Da diese Abdeckung keine tragende Funktion ausübt, kann sie weniger stark als die Lochplatte 16 ausgeführt werden. Da der Raum unterhalb der Lochplatte 16 frei ist, kann der Abstand der Lochplatte 16 zum Boden des Formkörpers 13 klein gehalten werden.

Es ist zweckmäßig, die Formkörper in Form von Hohlzylindern zu verlegen und die Gase im wesentlichen radial diese Zylinder durchströmen zu lassen. Es ergibt sich hierbei eine kompakte Bauart des Wärmetauschers. Werden die Formkörper auf einer rotierbai'cn Plattform verlegt, so kann der Wärmetauscher nach dem Ljungström-Prinzip arbeiten. Ein solcher Wärmetauscher ist in F i g. 6 und 7 schematisch dargestellt Die in F i g. 1 gezeigten Formkörper bilden Hohlzylinder 24, 25, 26, 27, zwischen denen axial verlaufende Kanäle 28, 29, 30, 31 und 32 vorgesehen sind. Diese sind abwechselnd nach oben und unten offen. Die radial verlaufenden Kanalwände sind mit 32a bezeichnet. Die Formkörper ruhen in einem oben offenen, keramisch ausgekleideten Gehäuse 33, das bei 34 gelagert ist und mittels eines Antriebes 35 in Drehung versetzt werden kann. Der gesamte Luftvorwärmer ist in einem metallischen Gehäuse 36 untergebracht. Oberhalb des rotierenden keramischen Gehäuses ist eine Dichtfläche 37 vorgesehen, so daß sich zwei getrennte Gasströme ergeben. Die insgesamt mit 38 bezeichnete Haube ist mit einer inneren Haube 39 und einer Querwand 40 versehen. Das heiße Abgas tritt durch den Stutzen 41 in den Raum 42 ein, durchströmt die Kanäle 29,31, sodann die abgekühlten Schüttungen in den Formkörpern, tritt über die Kanäle 28, 30 und 31 in den Raum 43 aus und wird von dort über den Rohrstutzen 44 abgeleitet

Das zu erwärmende Gas tritt durch den Rohrstutzen 45 in den Raum 46 ein, durchströmt die Kanäle 32, 30 und 28, durchsetzt die aufgeheizten Schüttungen und tritt über die Kanäle 29,31 in den Raum 47 ein, von wo die aufgeheizten Gase durch den Rohrstutzen 48 den Wärmetauscher verlassen.

Das im Zusammenhang mit Formkörpern aus keramischem Material Gesagte gilt auch für Aufbauten aus Stahl, bei denen die Formkörper die Gestalt von Leitblechen aufweisen.

Als Schüttkorper kommen nicht nur Kugeln in Betracht, sondern auch zylindrische Körper, bei denen die Zylinderhöhe etwa dem Zylinderdurchmesser entspricht. D'e Schüttkörper brauchen nicht aus keramischem Material zu bestehen. Es können auch Mineralien, z. B. Flußschotter, benutzt werden.

Bei großen Wärmetauschern ist es zweckmäßig, an Stelle der Rotation der Formkörper und Schiittungen einen rotierenden Drehschieber zwischen dem eigentlichen Wärmetauscher und der die Zu- und Ableitungen aufweisenden Haube vorzusehen.

Werden die Durchmesser dci Bohrungen 17 größer als die Breite der Rillen 18 gemacht, so ist es möglich, die Anzahl der Bohrungen zu verringern. Es ist dann allerdings frf'jrderlich, daß diese Bohrungen von der der Schüttung abgewandten Seite der Lochplatte ausgehen und vor der anderen Seite der Lochplatte enden, wobei die Bohrungen die Rillen anschneiden

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Regenerativwärmetauscher für Gase hoher Temperatur mit Formkörpern, die der Gasführung dienen und in denen Schüttungen von Kugeln oder ähnlichen Schüttkörpern (kurz »Kugeln«) aus wärmespeicherndem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Formkörper (1; 9; 13) einen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweisen und mit ihrer Unterkante (4) bzw. mit einer nach unten weisenden Rippe (10; 14) in die im jeweils darunter befindlichen Formkörper (1; 9; 13) enthaltene Schaltung (2,5,11,12; 15) eintauchen.

2. Regenerativwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schüttungen (5; 12) im ab- und aufsteigenden Ast der V- oder U-förmigen Formkörper (1; 9) eine weitere Schüttung (2; 11) von Kugeln vorgesehen ist, deren Durchmesser etwa das 1,5- bis 3fache des Durchmessers der anderen Kugeln beträgt

3. Regenerativwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung aus mehreren Schichten (7,8) mit unterschiedlich großen Kugeln besteht (F ig. 2).

4. Regenerativwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung (IS) zwischen zwei Lochplatten (16, 19) vorgesehen ist, die an ihren der Schüttung (15) zugewendeten Flächen mit den Bohrungen (17) der Lochplatten (16, 19) kommunizierenden Rillen (18) aufweisen (F i g. 4, 5).

5. Regenerativwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rillen (18) kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln der Schüttung (15).

6. Regenerativwärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrungen (17) größer als die Breite der Rillen (18) ist und diese Bohrungen von der der Schüttung abgewandten Seite der Lochplatte ausgehen und vor der anderen Seite der Lochplatte enden, wobei die Bohrungen die Rillen anschneiden.

7. Regenerativwärmetauscher nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (1,9,13), wie an sich bekannt, mehrere koaxiale. Abstand voneinander aufweisende Hohlzylinder (24—27) bilden, die von den Gasen radial beaufschlagt und vorzugsweise um ihre gemeinsame Achse drehbar gelagert sind und für ihre Rotation ^Μ ein Antrieb (35) vorgesehen ist (F i g. 6 und 7).

8. Regenerativwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (1, 9,13), wie an sich bekannt, mehrere koaxiale. Abstand voneinander aufweisende Hohlzylinder (24—27) bilden, die von den Gasen radial beaufschlagt sind und stirnseitig eine die Zu- und Abführungen (41, 44, 45, 48) der Gase aufweisende Haube (38) vorgesehen und zwischen dieser und den Zylindern ein Drehschieber angeordnet ist. *°