DE2712728A1

DE2712728A1 - METHOD AND DEVICE FOR HEATING GASES OR STEAMS

Info

Publication number: DE2712728A1
Application number: DE19772712728
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Eichelsbacher; Carl Dipl Ing Dr Hafke; Rudolf Ing Grad Kohlen; Manfred Laudenklos
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1978-09-28
Also published as: PL205351A1; ZA781067B; PL108978B2; GB1593473A

Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt ara Main, 21. März 1977METALLGESELLSCHAFT Frankfurt ara Main, March 21, 1977

Aktiengesellschaft _v ^: Q -vign/HSz-Nr. 8087 LGAktiengesellschaft _v ^: Q -vign / HSz-Nr. 8087 LG

Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Gasen oder DämpfenMethod and device for heating gases or vapors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen von Gasen oder Dämpfen durch direkten Wärmeaustausch mit erhitzten Oberflächen sowie eine Vorrichtung hierzu.The invention relates to a method for heating gases or vapors by direct heat exchange with heated surfaces and a device for this.

Die bisher bekannten Bauformen elektrischer Gaserhitzer haben den Nachteil der großen und aufwendigen Bauform, um die zur Erhitzung der Gase oder Dämpfe notwendige Wärmeaustauschfläche unterzubringen.The previously known designs of electric gas heaters have the disadvantage of large and complex design to the Heating the gases or vapors to accommodate the necessary heat exchange surface.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, Gase oder Dämpfe bis auf höchste Temperaturen schnell aufzuheizen und die dazu nötigen Wärmeaustauschflächen auf kleinstem Raum unterzubringen. Erfindungsgemäß wird dies beim eingangs genannten Verfahren dadurch erreicht, daß die Gase oder Dämpfe durch eine Schüttung aus elektrisch leitenden Körpern geleitet werden, die durch elektromagnetische Induktion erhitzt sind. Die Körper können z.B. aus Metall oder auch Graphit hergestellt sein. Die Energieübertragung auf die Schüttung geschieht berührungslos von einer Primärspule aus, durch die ein Wechselstrom fließt. Die Frequenzen liegen im Bereich von 50 bis 20 000 Hz, vorzugsweise von etwa 1000 bis 10 000 Hz. Üblicherweise gilt, daß, Je größer die Abmessungen der Körper sind, umso niedrigere Frequenzen benutzt werden.The invention is based on the task of quickly heating gases or vapors up to the highest temperatures and the necessary to do so To accommodate heat exchange surfaces in the smallest of spaces. According to the invention, this is the case with the method mentioned at the beginning achieved in that the gases or vapors are passed through a bed of electrically conductive bodies that through electromagnetic induction are heated. The bodies can be made of metal or graphite, for example. The energy transfer on the bed is made contactless from a primary coil through which an alternating current flows. The frequencies are in the range from 50 to 20,000 Hz, preferably from about 1,000 to 10,000 Hz. Usually, the greater the dimensions of the bodies are, the lower frequencies are used.

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Vorzugsweise haben die Körper der Schüttung eine größte Abmessung von etwa 3 bis 50 mm. Gute Ergebnisse werden mit einer Schüttung aus kugelförmigen Körpern erzielt. Bevorzugt wird dabei mit einer Schüttung aus im wesentlichen gleich großen Kugeln gearbeitet, deren Durchmesser sich um höchstens 10 96 voneinander unterscheiden. Etwa gleich große Kugeln berühren sich untereinander weitgehend gleichmäßig, wodurch die Durch- . wärmung der Schüttung verbessert wird. Dabei spielt auch die Wärmeleitung von Kugel zu Kugel eine Rolle. Eine Kugelschüttung verbessert auch die Durchströmungsverhältnisse für das zu erhitzende Gas, wobei hohe Wärmeübergangszahlen bei geringem Druckverlust erreicht werden.The bodies of the bed preferably have a largest dimension from about 3 to 50 mm. Good results will come with a Filed from spherical bodies achieved. Preference is given to using a bed of essentially the same size Balls worked, the diameter of which is not more than 10 96 differ from each other. Approximately the same size balls touch each other largely evenly, whereby the through. warming of the bed is improved. The heat conduction from ball to ball also plays a role here. A ball pile also improves the flow conditions for the gas to be heated, with high heat transfer coefficients with low Pressure loss can be achieved.

Bei der Werkstoffwahl für die Körper bzw. Kugeln ist das chemische Verhalten des Werkstoffs gegenüber dem zu erhitzenden Gas zu beachten. Bei hoher Erhitzungstemperatur der Körper ist auch zu beachten, daß diese Temperatur genügend unterhalb der Schmelztemperatur liegt. Zweckmäßigerweise werden die Körper oder Kugeln bis auf höchstens 300⁰C an die Schmelztemperatur heran erhitzt. Folgende Gastemperaturen lassen sich durch Erhitzen der Körper aus folgenden Metallen erreichen: bis zu etwa 1100⁰C mit Nickelkörpern, bis etwa 1600°C mit Chromkörpern und bis etwa 2300°C mit Körpern aus Molybdän.When choosing the material for the bodies or balls, the chemical behavior of the material towards the gas to be heated must be taken into account. If the body is heated to a high temperature, it must also be ensured that this temperature is sufficiently below the melting temperature. The bodies or balls are expediently ^{heated up to a maximum of 300 °} C. of the melting temperature. The following gas temperatures can be obtained by heating the body of the following metals reach up to about 1100 ⁰ C with nickel bodies, up to about 1600 ° C with chrome bodies and to about 2300 ° C with bodies made of molybdenum.

Die Schüttung wird in einem Rohr oder Behälter mit Siebboden untergebracht, der aus einem nicht oder nur schlecht elektrisch leitenden Material besteht. Es kommt hierfür z.B. Keramik oder Glas in Frage.The bed is housed in a tube or container with a sieve bottom, which is not or only poorly electrical conductive material. Ceramics or glass, for example, can be used for this.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erhitzungsvorrichtung im Längsschnitt dargestellt.In the drawing is an embodiment of the heating device shown in longitudinal section.

Durch ein Druckgehäuse 1 ist ein Rohr 2 hindurchgeführt. Im Rohr 2 befindet sich ein Siebboden 3 und darauf eine Schüttung aus elektrisch leitenden Kugeln. Die sich berührenden Kugeln der Schüttung sind durch Punkte in der Zeichnung angedeutet. Um das Rohr im Bereich der Schüttung ist die Primärspule 5 eines Induktionserhitzers gelegt. Die Schüttung 4 stellt die SekundärspuleA tube 2 is passed through a pressure housing 1. in the Tube 2 is a sieve bottom 3 and on top of it a bed of electrically conductive balls. The touching balls of the Bulk are indicated by dots in the drawing. The primary coil 5 of an induction heater is located around the pipe in the area of the bed placed. The bed 4 represents the secondary coil

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Die Primärspule 5 wird durch Windungen aus Kupferrohr gebildet, welche sowohl den Wechselstrom als auch eine Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, leiten. Von der Spule 5 führen Kupferrohre 6 und aus dem Druckgehäuse heraus, wobei das Rohr 7 bei der Durchführung durch das Gehäuse 1 das andere Rohr 6 koaxial umgibt. Von außen wird dem Rohr 6 Kühlflüssigkeit zugeführt, die vom Rohr 7 wieder abgeleitet wird.The primary coil 5 is formed by turns of copper pipe, which conduct both the alternating current and a cooling liquid, e.g. water. From the coil 5 lead copper tubes 6 and out of the pressure housing, the tube 7 surrounding the other tube 6 coaxially when it is passed through the housing 1. From the outside, the pipe 6 is supplied with cooling liquid, which is diverted from the pipe 7 again.

Die beiden Rohre 6 und 7 sind mit dem Wechselstromgenerator 8 verbunden, von dem die Spule 5 ihren Strom erhält.The two tubes 6 and 7 are connected to the alternator 8 connected, from which the coil 5 receives its current.

Innerhalb des Druckgehäuses 1 ist das Rohr 2 aus nicht leitendem Material, z.B. Glas oder Keramik, gefertigt, um Induktionsverluste zu vermeiden. Am Gaseintritt 10 und Gasaustritt 11 besteht das Rohr aus Stahl. Im Rohr 2 innerhalb des Gehäuses ist noch eine Reaktionszone 12 angedeutet, in welcher die in der Schüttung 4 erhitzten Gase umgesetzt werden. Die Reaktionszone 12 kann z.B. einen Katalysator enthalten, um eine Reaktion zwischen den Gaskomponenten herbeizuführen. Das Produktgas wird bei 11 abgezogen. Weist das im Rohr 2 geführte Gas einen Überdruck auf, so kann dieser überdruck durch einen Druck im Gehäuse 1 kompensiert werden. Um den gewünschten Druck im Gehäuse aufrechtzuerhalten und eine Überlastung des Rohrs 2 zu vermeiden, wird durch einen Kompressor 13 und eine Leitung 14 Schutzgas in das Gehäuse 1 gedrückt.Inside the pressure housing 1, the tube 2 is made of non-conductive material, e.g. glass or ceramic, in order to avoid induction losses. At gas inlet 10 and gas outlet 11 the pipe is made of steel. In the tube 2 within the housing, a reaction zone 12 is also indicated, in which the in the bed 4 heated gases are implemented. For example, the reaction zone 12 may contain a catalyst to initiate a reaction bring about between the gas components. The product gas is withdrawn at 11. If the gas in pipe 2 is overpressure on, this overpressure can be compensated for by a pressure in the housing 1. To get the desired pressure in the housing to maintain and to avoid overloading the pipe 2, is by a compressor 13 and a line 14 inert gas in the housing 1 pressed.

Das vom Gaseintritt 10 in die Schüttung 4 geleitete, zunächst noch relativ kalte Gas erwärmt sich beim Durchgang durch die Schüttung 4 immer weiter. Es kann deshalb zweckmäßig sein, in die Schüttung in der Nähe des Siebbodens 3 weniger Energie einzukoppeln, um eine überhitzung der Kugeln oder sonstigen elektrisch leitenden Körper zu vermeiden. Ein geringerer Energieeintrag in diesem Bereich wird z.B. der Zeichnung entsprechend dadurch erreicht, daß der Abstand der Spulenwindungen in der Nähe des Siebbodens größer ist als dort, wo das Gas noch relativ kalt ist.The initially still relatively cold gas passed from the gas inlet 10 into the bed 4 heats up as it passes through the Fill 4 on and on. It can therefore be useful to couple less energy into the bed near the sieve bottom 3, to overheating of the balls or other electrical Avoid conductive bodies. A lower energy input in this area is e.g. according to the drawing achieved in that the distance between the coil turns in the vicinity of the sieve bottom is greater than where the gas is still relatively is cold.

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Example 1 :

Im Labormaßstab werden 50 Nnr/h Wasserstoff von 20⁰C auf 1000⁰C erhitzt. Die zu übertragende Wärmeleistung beträgt ca. 18 kW. Verwendet man ein konventionelles, innen durchströmtes Heizrohrsystem einer elektrischen Widerstandsheizung, sind hierfür zwei Rohre mit je 12 mm Durchmesser und 2 mm Wandstärke sowie je k m Länge aus Nicrofer-Stahl nötig. Dabei ist für die Auslegung der Rohrlänge eine Temperaturdifferenz von 100⁰C zwischen Rohrwand und Gas zugrundegelegt.On a laboratory scale 50 NNR / h of hydrogen of 20 ⁰ C to 1000 ⁰ C to be heated. The heat output to be transferred is approx. 18 kW. Using a conventional, internal heating pipe flowed through an electric resistance heater, this two tubes, each with 12 mm diameter and 2 mm wall thickness and, depending k m length from Nicrofer® steel are necessary. The design of the pipe length is based on a temperature difference of 100 ^° C. between the pipe wall and the gas.

Wird demgegenüber ein erfindungsgemäß arbeitender Erhitzer verwendet, so benutzt man ein Keramik- oder Glasrohr von 70 mm Durchmesser und etwa 20 cm Höhe. Das Rohr besitzt einen Siebboden und eine Schüttung von 30 mm Höhe, bestehend aus Nickelkugeln von einheitlich 5 nun Durchmesser. Die Primärspule mit 8 Windungen erhält Strom von einem 10 000 Hz-Generator. Zwischen der Schüttung und dem Gas wird eine Temperaturdifferenz von mindestens 300⁰C eingestellt.If, on the other hand, a heater operating according to the invention is used, a ceramic or glass tube with a diameter of 70 mm and a height of about 20 cm is used. The tube has a sieve bottom and a bed 30 mm high, consisting of nickel balls with a uniform diameter of 5 mm. The primary coil with 8 turns receives power from a 10,000 Hz generator. A temperature difference of at least 300 ^° C. is set between the bed and the gas.

Example 2 :

Wird analog zu Beispiel 1 50 Nnr/h Luft von 20°C auf 1000⁰C erhitzt, so ist hierfür eine elektrische Wärmeleistung von etwa 19 kW erforderlich. Bei Verwendung des bereits im Beispiel 1 erläuterten konventionellen Rohrsystems sind vier Rohre von je 4,3 m Länge erforderlich. Verwendet man demgegenüber die bereits im Beispiel 1 beschriebene Kugelschüttung in einem Glasrohr, bedarf es nur einer Schütthöhe von 110 mm.Is heated analogously to Example 1 NNR 50 / h air at 20 ° C to 1000 ⁰ C, shall be an electrical heat output of about 19 kW is necessary. When using the conventional pipe system already explained in Example 1, four pipes, each 4.3 m in length, are required. In contrast, if the ball bed already described in Example 1 is used in a glass tube, only a bed height of 110 mm is required.

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L e e r s eR e r s e

i tei te

Claims

1) A method for heating gases or vapors by direct heat exchange with heated surfaces, characterized in that the gases or vapors are passed through a bed of electrically conductive bodies which are heated by electromagnetic induction.

Z) Method according to claim 1, characterized in that the bodies of the bed have a largest dimension of about 3 to 50 mm

3) Method according to claim 1 or 2, characterized . that the bodies of the bed are essentially spherical in shape, the diameters of which differ from one another by at most 10%.

4) Device for heating gases or vapors by direct heat exchange with heated surfaces, characterized by a bed of electrically conductive bodies, which is arranged within the primary coil of an induction furnace.

5) Device according to claim 4, characterized in that the bed is arranged in a pipe or a container with a gas-permeable bottom, wherein the tube or the container are made of electrically non-conductive or only poorly conductive material.

6) Device according to claim 4 or 5, characterized . that the turns of the primary coil in the vicinity of the gas outlet have a greater distance from one another than in the vicinity of the gas inlet.

7) Device according to claim 4 or one of the following, characterized in that the inductive heater and a downstream reactor are arranged together in a pressure vessel.

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