DE2622631A1

DE2622631A1 - Verfahren zum betreiben eines waermetauschers und waermetauscher mit einem system von ein granulat enthaltenden lotrechten roehren

Info

Publication number: DE2622631A1
Application number: DE19762622631
Authority: DE
Inventors: Dick Gerrit Klaren
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-20
Filing date: 1976-05-20
Publication date: 1976-12-16
Also published as: NL7505870A; GB1506800A; US4119139A; DE2622631C3; FR2312005B1; NL170458C; JPS51142743A; DE2622631B2; IL49592A0; AU1407376A; FR2312005A1; BR7603170A; AU505575B2; NL170458B; IL49592A; JPS5421576B2

Description

HENKEL, KERN, FEILER &HÄNZEL BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND TELEX: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 WECHSELBANKMÜNCHENNr.Sie-esill TELEFON· fO 8« 66 3197 66 30 91-92 DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914 SlegrammeTelupso^Tünchen ^D-⁸⁰⁰⁰ MÜNCHEN 90 Postscheck: München «21« - m

Gustav Adolf Pieper
Heerastede, Niederlande

UNSER ZEICHEN: MÜNCHEN, DEN ^ fj M 31 197S

BETRIFFT:

Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers und Wärmetauscher mit einem System von ein Granulat enthaltenden lotrechten Röhren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers, bei dem eine der Wärmeaustauschkomponenten in Form einer Flüssigkeit durch ein System von ein Granulat enthaltenden Röhren lotrecht aufwärts strömt und dabei das Granulat fluidisiert hält, sowie auf einen entsprechenden Wärmetauscher. Ein Wärmetauscher dieser allgemeinen Gattung ist z.B. in der NL-OS 75·16401 beschrieben. Durch Anwendung einer fluidisierten Granulatmasse in den Röhren wird ein besserer Wärmeübergang gewährleistet, wodurch die Betriebskosten des Wärmetauschers bei gleicher Leistung gesenkt werden können«,

Wenn der Wärmetauscher zum Erwärmen der in den Röhren strömenden Flüssigkeit dient, in welcher Substanzen gelöst sind, die bei erhöhter Temperatur eine verminderte Löslichkeit besitzen und daher ausfällen, wird hierdurch eine unerwünschte Verminderung der Leistung des Wärmetauschers hervorgerufen„ Wenn sich ■ der Niederschlag ζ„Β. an der Röhrenwand bildet, wächst die Röhre allmählich zu, während außerdem auch der Wärmeübergang von der

Ke/Bl/ro ~

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Rohrwandung allmählich abnimmt. Wenn sich diese Substanzen dagegen am Granulat absetzen, vergrößern sich dessen Körnchen, bis sie schließlich durch die Röhren herabsinken und diese verstopfen. Die Verwendung eines Fließbetts bzw. einer Wirbelschicht bei einem Wärmetauscher dieser Art stellt an sich bereits einen Vorteil im Hinblick auf die sog. (Wasser-)Steinbildung dar, weil hierdurch die Ausfällung der genannten Substanzen an der Röhrenwandung herabgesetzt wird oder weil die Granulatkörnchen aufgrund ihrer Scheuerwirkung gegen die Röhrenwandung sogar bestrebt sind, die Wandung zu reinigen. Allgemein läßt sich sagen, daß die Verwendung einer Säule mit einem fluidisierten Granulat die Anwendung etwas höherer Flüssigkeitstemperaturen im Wärmetauscher gestattet als im Fall eines üblichen Wärmetauschers.

Hierbei muß die Füllung der Wärmetauscherröhren von Zeit jzvl Zeit erneuert werden, wenn die Granulatkörnchen zu stark "gewachsen" sind. Die Erfindung zielt nun auf den Betrieb eines Wärmetauschers an sich bekannter Bauart mit höheren möglichen Temperaturen unter Gewährleistung eines neuartigen und sehr zweckmäßigen Verfahrens der Vermeidung der unerwünschten Folgen des Granulatkornwachstums ab.

Dies wird bei einem Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers, bei dem eine der Wärmeaustauschkomponenten durch ein System von ein Granulat enthaltenden Röhren lotrecht aufwärts strömt und dabei das Granulat fluidisiert hält, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Granulat ein Material verwendet wird, das vorzugsweise eine größere Tendenz zu einem Wachstum bzwo einer Größenzunahme aufgrund von aus der Flüssigkeit ausgefällten Substanzen als die Röhrenwandungen besitzt, daß der Wärmetauscher periodisch gegenüber dem Wärmeaustauschmedium abgesperrt wird, worauf die Röhren in Aufwärtsrichtung ausreichend intensiv durchgespült werden, so daß das gesamte Granulat

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in eine über den oberen Enden der Röhren befindliche Kammer

hier

gefördert wird und/durch zumindest teilweise fluidisfert gehalten wird, daß anschließend nahe des Bodens dieser Kammer die gröbsten Fraktionen des Granulats in seitlicher Richtung aus der Kammer herausgespült werden und daß das restliche Granulat schließlich durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Röhren, erforderlichenfalls nach Ergänzung mit feineren Fraktionen, in die Röhren zurückgeführt und der Wärmeaustauschvorgang wieder eingeleitet wird.

Es ist hierbei von Wichtigkeit, daß das Granulat eine Zusammensetzung und/oder (Korn-)Form und/oder'kristallographische Struktur besitzt, die einen starken Einfluß auf erhöhte (Wasser-)-Steinbildung hat. Hierdurch wird auch vermieden, daß die Röhrenwandungen periodisch gereinigt werden müssen« Ein derartiges Granulat kann häufig dadurch zur Verfügung gestellt werden, daß seine chemische Zusammensetzung entsprechend den aus der Flüssigkeit ausfallenden Substanzen gewählt wird. Beim Spülen des Granulats in der Kammer werden die feinsten Fraktionen aufwärts verlagert, während die gröberen Fraktionen in der Nähe des Kammerbodens abgesetzt oder suspendiert bleiben. Durch Öffnen der Abblasleitung nahe des Kammerbodens hat es sich als möglich erwiesen, die gröbsten Fraktionen des Granulats wegzuschwemmen, ohne dabei auch einen nennenswerten Anteil an feinerem Material mitzureißen. Auf diese Weise ist es nunmehr möglich, die Korngröße des Granulats innerhalb der Röhren sehr schnell zu verkleinern, ohne daß der Wärmetauscher zerlegt und entleert zu werden braucht· Es ist dabei darauf hinzuweisen, daß allerdings die augenfälligste Alternativlösung darin besteht, den Wärmetauscher zu zerlegen und die Röhren "kopfstehend" umzuwenden, wobei das gesamte, in den Röhren enthaltene Granulat herausfällt, worauf der Wärmetauscher, nachdem die Röhren.,wieder in die richtige Stellung gebracht wurden, mit einer neuen Füllung beschickt wird« Insbesondere im Fall von größeren Wärmetauschern, die z„B.

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einen Teil eines Expansionsverdampfers bilden, würde dieses Verfahren die Verwendung eines fluidisierten Granulats verbieten. Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß das Nachfüllen von feineren Fraktionen und die Rückförderung des Granulats in die Röhren sehr einfach bei verringerter Strömungsgeschwindigkeit durch die Röhren erfolgen können. Dabei erfolgt auch ein gewisses Vermischen der verschiedenen Kornfraktionen.

Neben diesem vorstehend beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung auch einen Wärmetauscher mit einem System von Granulat enthaltenden, lotrechten Röhren, die an einen Kreislauf einer der Wärmeaustauschkomponenten angeschlossen sein können und die mit ihren oberen Enden in eine Kammer münden. Dieser verbesserte Wärmetauscher kennzeichnet sich dabei dadurch, daß' Mittel zum Absperren des Röhrensystems und der Kammer gegenüber dem Wärmeaustauschkreislauf und zur Verbindung dieses Systems mit einem Kreislauf zum Umwälzen einer Spülflüssigkeit mit höherer Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen sind, wobei nahe des Kammerbodens eine absperrbare Abblasleitung angeschlossen ist. In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung mündet eine absperrbare Speiseleitung für Feingranulat in den Oberteil der Kammer ein.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Kammer von der Mündungsstelle der Röhren aus divergiert. Hierdurch wird verhindert, daß die feineren Kornfraktionen innerhalb der Kammer zu intensiv aufgewirbelt werden und in den Spülkreislauf eintreten.

Es hat sich eine Lösung als besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher nicht die gesamte Granulatmasse hochgespült (flushed up) zu werden braucht. Dies kann dann der Fall sein, wenn die Granulatmasse aus zwei Komponenten besteht, die so stark voneinander verschieden sind, daß bei der Fluidisierung eine

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scharfe Abgrenzung zwischen einer unteren und einer oberen Schicht erzielt wird.

Die Unterschiede in der Granulatzusammensetzung beider Schichten können durch unterschiedliche spezifische Massen des verwendeten Materials und/oder durch verschiedene Korngrößen erreicht werden.

Wenn das Strömungsmittel die fluidisierte obere Schicht in den Röhren durchströmt, kann sich seine Temperatur bereits so stark erhöht haben, daß die ursprünglich in der Flüssigkeit gelösten Substanzen eine Tendenz zu einer Ausfällung zeigen. Durch Wahl eines zweckmäßigen Materials für das Granulat in der oberen Schicht kann erreicht werden, daß sich die ursprünglich gelösten Substanzen der Flüssigkeit teilweise auf den Granulatkörnchen absetzen, welche anschließend allmählich "wachsen", wodurch die Ausfällung an den Röhrenwandungen vermindert oder sogar vollständig verhindert wird.

Wenn die Körnchen der unteren Schicht aufgrund der Wahl ihrer Zusammensetzung gegenüber einer Ausfällung aus der Flüssigkeit inert sind, oder wenn der Temperaturanstieg der Flüssigkeit in der unteren' Schicht noch zu gering ist, um zu einer Ausfällung der gelösten Substanzen aus dem Strömungsmittel zu führen, erfahren die Körnchen der unteren Schicht keine Größenzunahme.

Bevor die Körnchen der oberen Wirbelschicht eine solche Größenzunahme erfahren haben, daß die Abgrenzung zwischen den beiden Schichten aufgehoben wird und ein Vermischen des Granulats aus beiden Schichten auftreten kann, sollte das fluidisierte Granulat der oberen Schicht vorzugsweise in regelmäßigen Abständen in die gemeinsame bzw«, Sammelkammer über den Rohren gefördert werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Röhren erhöht wird. Hierbei verbleiben die gröbsten Frak-

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tionen des Granulats in der oberen Kammer entweder im abgesetzten oder im suspendierten Zustand in der Nahe des Kammerbodens. Durch öffnen der Abblasleitung nahe des Kammerbodens können die gröbsten Fraktionen dann abgeführt werden. Auf diese Weise kann die Korngröße des Granulats in der oberen Schicht schnell reduziert werden, so daß die Abgrenzung zwischen oberer und unterer Schicht erhalten bleibt und der Betrieb unter Normalbedingungen fortgeführt werden kann.

Wenn die fluidisierte obere Schicht bzw. Wirbelschicht im Normalbetrieb nur einen Teil der Gesamthöhe der unteren und der oberen Wirbelschicht ausmacht, braucht ersichtlicherweise die Strömungsgeschwindigkeit in den Röhren, um nur die Granulatmasse der oberen Wirbelschicht in die Kammer über den Röhren zu befördern, erheblich weniger erhöht zu werden als dann, wenn die gesamte Granulatmasse in die über den Röhren gelegene Kammer gefördert werden soll, um die groben Fraktionen über die Abblasleitung abzutrennen.

Auf diese Weise ist es in vielen Fällen im Normalbetrieb möglich, die vergrößerten Körnchen der oberen Wirbelschicht abzuführen und sie durch feinere Granulatkörnchen zu ersetzen, ohne daß der Wärmetauscher aus dem Betrieb genommen oder mit einem speziellen Kreislauf zur Hindurchförderung einer Spülflüssigkeit mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit verbunden zu werden braucht.

In der beigefügten Zeichnung ist eine Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, bei dem eine Granulatmasse einer einzigen Zusammensetzung verwendet wird und die Granulatkörnchen infolge einer möglichen Ausfällung von Substanzen aus der Flüssigkeit einem "Wachstum" bzw. einer Größenzunahme unterworfen sind.

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Der in der Zeichnung dargestellte Wärmetauscher besteht aus vier Kammern 1, in denen Wärme auf eine Flüssigkeit übertragen wird, welche Röhren 2 in Aufwärtsrichtung durchströmt. Die Röhren 2 sind dabei zwischen zwei Rohrwänden ^a und yo festgelegt. Obgleich in der Zeichnung vier Wärmeaustauschkammern 1 dargestellt sind, ist die Zahl dieser Kammern offensichtlich für das Wesen der Erfindung ohne Bedeutung. Die Röhren 2 münden in eine Kammer eines Auslaßkastens 5β An der Unterseite der Röhren 2 ist ein Einlaßkasten 6 vorgesehen, aus dem die Flüssigkeit über verengte Bohrungen in die Röhren 2 eingeführt wird_o In die Röhren 2 ist ein Granulat 4 eingefüllt, das im Betrieb durch die aufwärts strömende Flüssigkeit fluidisiert wird und sich dabei bis in den Auslaßkasten ausbreitete Die engen Einlaßbohrung 7 verhindern einen Austritt des Granulats in den Einlaßkasten 6,

Im Normalbetrieb wird die zu erwärmende Flüssigkeit dem Wärmetauscher über eine Leitung 8 sowie ein Ventil 10 und eine Pumpe 9 zugeführt. Der Austrag der erwärmten Flüssigkeit erfolgt durch die Leitung 14 über ein geöffnetes Ventil 15· Der Strömungskreis weist weiterhin eine Umwälzleitung 1j5 mit einer Pumpe 21 und mit Ventilen 12 und 16 auf. Im Normalbetrieb sind die Ventile 12 und 16 geschlossen, und die Pumpe 21 ist abgeschaltet» In der Nähe des Bodens des Auslaßkastens 5 ist außerdem an letzteren eine Abblas- bzw. Ablaßleitung 17 mit einem in diese eingeschalteten Ventil 19 angeschlossen, während in die Oberseite des Auslaßkastehs 5 eine ebenfalls mit einem Ventil 20 versehene Speiseleitung 18 einmündet«, Im Normalbetrieb sind die Ventile 19 und 20 ebenfalls geschlossen·

Wenn sich nach einer gewissen Zeit die Korngröße des Granulats in einem solchen Ausmaß vergrößert hat, daß die Betriebsleitung des Wärmetauschers beeinträchtigt wird, was anhand eines Temperaturabfalls der über die Leitung 14 abströmenden Flüssigkeit

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festgestellt werden kann, werden Maßnahmen getroffen, Lim die am stärksten angewachsenen Granulatkörnchen aus dem Wärmetauscher abzuführen und die Füllung mit kleineren Körnchen zu ergänzen. Dazu werden zunächst die Ventile 10 und 15 geschlossen und die Ventile 12 und 16 geöffnet. Der Strom des Wärmeaustauschmediums, das quer zu den Röhren 2 durch die Kammern 1 strömt, kann dabei abgestellt werden. Ob dies nötig ist oder nicht, wird jedoch hierbei von Fall zu Fall unter Berücksichtigung der Umstände 2i entscheiden sein. Nach Einschalten der Pumpe 21 bei weiterlaufender Pumpe 9 wird die im Wärmetauscher enthaltene Flüssigkeit durch den Umwälzkreis mit derart erhöhter Strömungsgeschwindigkeit umgewälzt, daß das gesamte Granulat aus den Röhren 2 in den Auslaßkasten 5 ausgetrieben wird. Es empfiehlt sich in diesem Fall, die Strömungsgeschwindigkeit so stark zu erhöhen, daß die Granulatkörnchen mittlerer und kleinerer Größe im Oberteil des Auslaßkastens 5 in Suspension bzw. Schwebe übergehen, während die größeren Teilchen in der Nähe des Bodens des Auslaßkastens 5 verbleiben. Wenn sodann das Ventil 19 geöffnet wird, schwemmt der eine vergleichsweise verringerte Strömungsgeschwindigkeit besitzende Teil der Umwälzflüssigkeit im wesentlichen nur die größeren Granulatkörnchen über die Abblas- ■ leitung aus dem System heraus. Anschließend wird das Ventil 19 wieder geschlossen.

Gleichzeitig mit dem Abblasen oder mit Phasenverschiebung dazu kann das Ventil 20 geöffnet werden, so daß feinere Granulatteilchen in das System eingeführt werden. Hierbei kann die Strömungsgeschwindigkeit der Umwälzflüssigkeit, entweder durch Verringerung der Drehzahl der Pumpe 21 oder durch stufenweises Schließen eines oder mehrerer der Ventile 12 oder 16, allmählich verringert werden, so daß das Granulat wieder in die Röhren 2 zurückfällt. Daraufhin steht der Wärmetauscher wieder für den · Normalbetrieb bereit, worauf die Pumpe 21 abgestellt wird und die Ventile 12 und 16 geschlossen und die Ventile 10 und 15 geöffnet werden.

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Selbstverständlich sind verschiede/Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Vorrichtung möglich. Beispielsweise können anstelle nur einer Abblasleitung mehrere solcher Abblasleitungen 17 um den Auslaßkasten 5 herum angeschlossen werden. Ebenso ist z.B. die Pumpe 21 überflüssig, wenn die Pumpe 9 die für die Umwälzung mit der nötigen Geschwindigkeit erforderliche Leistung besitzt«

Häufig lassen sich weitere Verbesserungen dadurch erreichen, daß der Auslaßkasten 5 konvergierend ausgebildet wird. Hierdurch wird eine bessere Trennung zwischen den schwebenden feineren und mittleren Granulatteilchen und dem gröberen Material erreicht, das in der Nähe des Bodens verbleibt. Falls jedoch das Risiko befürchtet wird, daß das feinere.Material aus dem Auslaßkasten 5 in die Auslaßleitung 14 oder in die Umwälzleitung 13 mitgerissen werden könnte, kann dem Auslaßkasten 5 auch eine divergierende Form verliehen werden. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit im Oberteil des Kastens 5 so stark verringert, daß auch das feinste Granulat herabsinken kann. Weiterhin sind auch Kombinationen von konisch oder abgestuft konvergierenden und divergierenden Wänden der Strömungskammern möglich. Wenn eine Granulatmasse mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen verwendet wird, bei welcher im fluidisierten Zustand (nur) die obere Wirbelschiht einer Kornvergrößeruijjg unterliegt, kann die Rückführleitung 1j5 mit Pumpe 21 und Ventilen 12 und 16 überflüssig werden, da die vergleichsweise begrenzte Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit durch die Röhren, die hierbei nötig ist, urpaie obere Wirbelschicht der Granulatmasse in den. Kasten 5 zu fördern, ohne weiteres mittels der Pumpe 9 in Verbindung mit einer (entsprechenden) Einstellung der Ventile 8 und/oder 14 erzielt werden kann. Das Abblasen oder Ablassen der gröbsten Granulatfraktionen aus der Granulatmasse der oberen Wirbelschicht erfolgt in diesem Fall ebenfalls über Leitung 17 und Ventil I9, während das Nachfüllen von Feinmaterial über die Leitung 18 und das Ventil 20 erfolgt.

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Claims

- ίο -

Patentansprüc he

/ 1.!verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers, bei dem eine ^-^^ der Wärmeaustauschkomponenten durch ein System von ein Granulat enthaltenden Röhren lotrecht aufwärts strömt und dabei das Granulat fluidisiert hält, dadurch gekennzeichnet, daß als Granulat ein Material verwendet wird, das vorzugsweise eine größere Tendenz zu einem Wachstum bzw. einer Größenzunahme aufgrund von aus der Flüssigkeit ausgefällten Substanzen als die Röhrenwandungen besitzt, daß der Wärmetauscher periodisch gegenüber dem Wärmeaustauschmedium abgesperrt wird, worauf die Röhren in Aufwärtsrichtung ausreichend intensiv durchgespült werden, so daß das gesamte Granulat in eine über den oberen Enden der Röhren befindliche Kammer gefördert und hierdurch zumindest teilweise fluidistert gehalten wird, daß anschließend nahe des Bodens dieser Kammer die gröbsten Fraktionen des Granulats in seitlicher Richtung aus der Kammer herausgespült werden und daß das restliche Granulat schließlich durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Röhren, erforderlichenfalls nach Ergänzung mit feineren Fraktionen, in die Röhren zurückgeführt und der Wärmeaustauschvorgang wieder eingeleitet wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Granulat aus zwei Komponenten verwendet wird, die sich im fluidisierten Zustand in eine obere und eine untere (Wirbel-) Schicht auftrennen, wobei das Material der oberen Schicht eine Tendenzzu einem Wachstum bzw. einer Größenzunahme aufgrund der ausgefällten Substanzen besitzt, während das Material der unteren Schicht diese Tendenz nicht besitzt.

3. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem System von Granulat enthaltenden lotrechten Röhren, die an einen Kreislauf für eine der Wärmeaustausch-

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komponenten anschließbar sind Lind die mit ihren oberen Enden in einer Kammer münden, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Trennen des Systems aus den Röhren (2) und der " Kammer (5) vom Wärmeaustauschkreislauf und zur Verbindung dieses Systems mit einem Kreislauf vorgesehen sind, über den eine SpUlflüssigkeit mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird, und daß nahe des Bodens der Kammer (5) mindestens eine absperrbare Abblasleitung (17) vorgesehen ist»

4, Wärmetauscher nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberseite der Kammer eine absperrbare Speiseleitung für Peingranulat einmündet.

5β Wärmetauscher nach Anspruch J oder h, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer von einer Stelle über den Mündungsenden der Röhren aus divergiert.

6.' Wärmetauscher nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Kammer von einer Stelle über den Mündungsenden der Röhren aus zunächst konvergierend und dann divergierend ausgebildet ist.

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