-
Vorrichtung zum Ableiten der Wärme
-
aus einer Wirbelschicht Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Ableiten der Wärme aus einer Wirbelschicht, die auf zwei einander gegenüberliegenden
Seiten von aus von einem warmeaufnehmenden Medium durchflossenen Rohren gebildeten
Wänden begrenzt ist.
-
Es ist bekannt, die Warme aus Wirbelschichten, z. B. bei der Röstung
von Pyriten, durch in die Schicht eintauchende, von einem Kühlmittel durchflossene
Rohre eines Wärmetouschers abzuführen. Häufig wurden hierzu sogenannte Field-Rohre
in lotrechter, waagerechter oder auch leicht gegen die Horizontale geneigter Anordnung
vorgesehen (GB-PS 712 899).
-
In jüngerer Zeit wachst das Interesse an der Wirbelschicht- oder Fließbettfeuerung,
bei der Brennbares (Kohle, Öl, Abfälle u. dgl.) in einer wirbelnden oder fluidisierten
Schicht aus inerten Materialien verbrannt wird. Die Fließbettfeuerung hat den Vorteil
einer sehr hohen WärmeUbertragung in der Brennzone, so daß man trotz relativ niedriger
Temperoturen (im Bereich um 800 OC) in der Brennzone bzw. im Bett mit höheren Warmeleistungen
der eingebauten Kuhl- oder Warmeaustauschflöchen rechnen kann als in Ublichen Strahlungsräumen.
Versuche hoben ergaben, daß bei mit einer Neigung gegen die Horizontale angeordneten
Rohren die WärmeUbertragung geringer ist (bei 45 O Neigung ist sie am geringsten)
als bei lotrecht oder waagerecht angeordneten Rohren. FUr die Höhe des Wärmeübergangskoeffizienten
durfte wohl die Beruhrungszeit der fließenden Teilchen mit dem Wärmetauscherrohr
von Bedeutung sein, denn es hat sich gezeigt, daß, je kurzer'die Teilchenberuhrungszeit
ist, der Wurmeubergangskaeffizient umso höher wird. Da bei waagerecht angeordneten
Rohren die Teilchen sich am Rohrumfang auf- und abbewegen, ist die Beruhrungszeit
kurz, die Wärmeübertragung ist also gut. Bei vertikaler Anordnung der Rohre ist
die Berührungszeit länger, was den Wärmeübergang negativ beeinflußt.
-
Bei einem bekannten Naturumlauf-Wörmetauscher mit Fließbettfeuerung
(Zeitschrift "Works Engineering", July 1972, pg. 19) sind schwach geneigte Rohre
im Fließbett angeordnet, die beidseits in die das Fließbett seitlich begrenzenden
zylindrischen Wände eingeschweißt sind. Eine solche Ausbildung ist von Nachteil,
denn die beidseits eingespannten Rohre können sich nicht individuell ausdehnen,
vielmehr unterliegen sie Druckspannungen bzw. üben Druck auf die Flieûbettbegrenzungswände
aus. Ein weiterer Nachteil liegt in der schlechten bzw. nahezu unmöglichen Auswechselbarkeit,
wenn die Rohre beschädigt sind.
-
Diese Nachteile können ausgeschaltet werden, wenn die im Fließbett
liegenden Rohre von einem Kühlmittel unter Pumpendruck durchströmt werden, da man
dann in der Anordnung der Rohre frei ist, d.h., sie können auch genau horizontal
und ohne Einspannung verlegt werden. Ein Wärmetauscher dieser Art ist aus der Zeitschrift
"The Steam and Heating Engineer", March 1971, pg. 6/7 und April 1971, pg. 28/29
bekanntgeworden.
-
Ein Nachteil dieser Art eines Wärmetauschers liegt in dem erhöhten
Energieaufwand und dem Preis für die Pumpenanlage (eine Reservepumpe ist Vorschrift).
Ein anderer Nachteil liegt darin, daß die Rohre an den Wönden ausgebogen oder besonders
gestaltet werden mUssen, um ein Durchfuhren der im Fließbett unterzubringenden Wärmetauscherrohre
zu ermöglichen, d . h., daß die Fließbettbegrenzungswände Durchbrechungen aufweisen
müssen und nicht als ununterbrochene Wände ausgebildet werden können.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ableiten
der Warme aus einer Wirbelschicht oder einem Fließbett zu schaffen, die im Naturumlauf
arbeiten kann, deren im Fließbett liegende Rohre waagerecht angeordnet werden können
und dennoch einen gesicherten Umlauf aufweisen, wobei aber die das Fließbett seitlich
begrenzenden Wände ohne Unterbrechungen ausgeführt werden können und wobei ferner
ein Ersatz etwa beschddigter Rohre in einfachster Weise erfolgen kann.
-
Die Lösung dieser Aufgabe ist gerntiß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandrohre lotrecht angeordnet und mit einem unteren Verteiler- sowie oberen
Sammlersystem fUr die Zu- bzw. Ableitung eines wärmeoufnehmenden Mediums verbunden
sind und daß an einigen der Wandrohre im Bereich der Wirbelschicht jeweils mehrere
in diese hineinragende U-förmig gebogene Rohre mit horizontalen oder annähernd horizontalen
Schenkeln angeschlossen sind, die zu einer in einer lotrechten Ebene liegenden
warmeaufnohmenden
Fläche zusammengefaßt sind, deren Erstreckung in waagerechter Richtung ein Mehrfaches
der Erstreckung in lotrechter Richtung beträgt. In den praktisch auf ihrer ganzen
Länge beheizten, im unteren Bereich stark beheizten Wandrohren wird ein starker
Auftrieb erzeugt, der den Kühlmittelfluß auch in den waagerechten Strecken der in
der Wirbelschicht liegenden Rohre sicherstellt.
-
Eine Verstärkung des Umlaufes in den in der Wirbelschicht liegenden
Rohren kann noch dadurch erreicht werden, daß wenigstens an denjenigen lotrechten
Wandrohren, die im unteren Teil in die Wirbelschicht hineinragende Rohre tragen,
im Freiraum oberhalb der Wirbelschicht weitere wärmeaufnehmende Heizflächen angeschlossen
sind. Diese im Freiraum angeordneten weiteren Heizflöchen erzeugen durch ihre Beheizung
einen zusatzlichen Auftrieb, der eine Saugwirkung auf die in der Wirbelschicht liegenden
Heizflächen ausübt, der zu dem in den auf ganzer Länge beheizten Wandrohren erzeugten
Auftrieb noch hinzutritt. Damit ist der Kuhlmittelfluß gesichert, und eine besondere
Pumpe entfällt somit.
-
Vorzugsweise wird zwischen den Anschlußstellen des innersten U-förmigen
Rohres der in die Wirbelschicht eintauchenden Heizflächen im Wandrohr eine Drossel-
oder Abschlußscheibe angeordnet, die dem wärmeaufnehmenden Medium ein Strömen in
die U-Rohre aufzwingt. Ist eine Drosselscheibe vorhanden, d.h. eine Scheibe, die
noch eine gewisse Vorbeiströmung zuläßt, so ist der die Strömung ermöglichende Durchtritt
an der beheizten Seite des Wandrohres vorzusehen.
-
Die im Freiraum liegenden Heizflächen können ebenfalls aus U-förmigen
Rohren gebildet sein, vorzugsweise werden jedoch maanderförmig gebogene Rohre vorgesehen,
da eine solche Ausbildung eine größere Heizfläche mit höherer Wärmeaufnahme ergibt.
Zwischen den Anschlußstellen der innersten U-förmigen Rohre einer jeden wärmeaufnehmenden
Heizfläche bzw. zwischen den Anschlußstellen der innersten mäanderförmig gebogenen
Rohre wird im zugehörigen Wandrohr ebenfalls eine Drossel- oder Abschlußscheibe
angeordnet, die dem wärmeoufnehmenden Medium ein Strömen in diese Rohre aufzwingt.
-
Auch hier ist bei einer Drosselscheibe, die eine gewisse Vorbeiströmung
zulaßt, der die Strömung ermöglichende Durchtritt an der beheizten Seite des Wandrohres
vorzusehen.
-
Da die Wandrohre selbst als Zu- und Ableitungen fUr die Heizflächen
dienen, brauchen irgendwelche Durchbrechungen in der Wand nicht vorgesehen zu werden,
d.h., die Wand ist einfoch aufzubauen und dicht zu halten, wobei Flossenrohre, befloßte
Rohre oder dicht an dicht liegende Rohre mit außen liegender Blechverkleidung zur
Anwendung kommen können.
-
Ein Ersatz etwa beschädigter Rohre ist auf einfachste Weise zu bewerkstelligen,
indem entweder das gesomte Wandrohr mit seiner wärmeaufnehmenden Fläche durch Abtrennen
am Verteiler und Sammler herausgenommen wird oder nur der diese Flache tragende
Rohrabschnitt herausgetrennt und durch einen neu einzuschweißenden ersetzt wird.
-
Durch die Erfindung ist auch die Möglichkeit gegeben, die gesamte
wärmeaufnehmende, in der Wirbelschicht liegende Fläche zu verandern, indem die Zahl
der U-förmigen, an einem Wandrohr parallelgeschalteten Rohre geändert wird. Diese
Möglichkeit ist von besonderer Bedeutung, um die wärmeaufnehmende Flache geänderten
Bedingungen, z. B.
-
in bezug auf Leistung, Brennstoff usw., anpassen zu können.
-
Von Vorteil ist es auch, daß man in der Anordnung der wärmeabführenden
Flächen insoweit auch freie Hand hat, als diese an gegenuberliegenden Wanden so
angebracht werden können, daß zwei Flachen jeweils in der gleichen lotrechten Ebene
oder in verschiedenen lotrechten Ebenen liegen können, wobei im letztgenannten Fall
die Flächen auch noch zahnartig mehr oder weniger weit ineinandergreifen können.
-
Da die mit Heizflachen versehenen Wandrohre am gleichen Verteiler
angeschlossen sind, von dem auch Wandrohre ausgehen, die keine Heizflächen tragen,
die also ohne Unterbrechung glatt durchlaufen, denn die in der Wirbelschicht liegenden
Heizflächen müssen einen gewissen seitlichen Abstand zueinander haben, um die Verwirbelung
des Betts nicht zu beeinträchtigen, werden in den letzt-genannten Wandrohren Drosseln
vorgesehen, die den Widerstand dieser Rohre an den Widerstand der Heizflächen tragenden
Wand rohre anpassen,so daß eine weitgehend gleichmaßige Kuhlmittelversorgung aller
Wandrohre sichergestellt ist.
-
Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung.
-
Fig. 1 ist ein lotrechter Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten
Wärmetauscher mit der Vorrichtung gemaß der Erfindung nach einer ersten Ausführungsform.
-
Fig. 2 zeigt den Schnitt nach der Linie II - 11 in der Fig. 1 Fig.
3 ist ein lotrechter Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Wärmetauscher
mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung nach einer zweiten Ausführungsform.
-
Fig. 4 zeigt den Schnitt nach der Linie IV - IV in der Fig. 3.
-
Bei dem Wärmetauscher nach Fig. 1 und 2 - ein Dampferzeuger ist als
Beispiel gewählt -begrenzen von einem Kühlmittel durchströmte Rohre 2 und 4, an
einer Vorder- bzw.
-
RUckwand sowie Rohre 1' an den Seitenwänden einen rechteckigen Raum
6, an dessen Boden eine Düsenplatte 19 angeordnet ist, aus der der Luftkammer 20
zugeführte Luft unter Druck in den Raum 6 einströmt. Die Düsenplatte 19 tragt eine
lose, inerte, kugel-oder körnchenartige Masse, die durch die Luft zum Fließen oder
Wirbeln gebracht wird.
-
und ein Fließbett oder eine Wirbelschicht bildet. In diese wirbelnde
Schicht wird Brennbares von oben her durch eine oder mehrere (nicht gezeigte) Zufuhranordnungen
eingebracht.
-
Zur Abfuhr der entstehenden Warme dienen von einem Kiihlmittel oder
wärmeaufnehmenden Mittel durchströmte Rohre 7a, die an den Wandrohren 1' ein- und
austrittsseitig angeschlossen sind.
-
Die Rohre 7a sind U-förmig gebogen, und mehrere Rohre 7a bilden eine
wärmeaufnehmende Fläche 7' in einer lotrechten Ebene, deren horizontale Erstreckung
um ein Mehrfaches größer ist als die lotrechte Erstreckung. Zwischen den Anschlußenden
des innersten U-Rohres 7'' ist im zugehörigen Wandrohr 1' vorzugsweise eine Drossel-
oder Abschlußscheibe eingesetzt, die einen Kuhlmittelfluß durch die U-Rohre 7a erzwingt.
-
Die Wandrohre 1' und 2 sowie 4 stehen mit einem unteren Verteilersystem
aus Langsverteilern 9 sowie Querverteilern 12 und 14 in Verbindung. An ihren oberen
Enden munden die Wandrohre 1' in Längssammler 10 ein, während die Wandrohre 2 und
4 an Quersammler 13 bzw. 15 angeschlossen sind. Dem Verteilersystem wird über Fallrohre
18 und RUcklaufrohre 17 Wasser zugefuhrt, das in den beheizten Rohren erzeugte Dampf-Wassergemisch
wird durch das Sommlersystem der Trommel 11 zugeführt, in die vom Sammlersystem
ausgehende Dampfuberströmrnhre 16 ebenfalls eintreten.
-
Die bei der Verbrennung in der Wirbelschicht entstandenen Heizgase
durchströmen noch den Brennraum6 oben begrenzende, wärmeaufnehmenden Flächen und
werden dann in Richtung des Pfeils 26 nachgeschalteten Filtern, Staubabscheidern
u. dgt. zugeführt.
-
Der Wärmetauscher nach Fig. 3 und 4 - wieder ist ein Dampferzeuger
als Beispiel gewahlt - weist einen Raum mit rechteckigem Querschnitt auf, der an
seinen gegenuberliegenden Seitenwanden von Wandrohren 1, 1' begrenzt ist. An der
Frontwand des Wärmetauschers liegen die Frontwandrohre 2, die über einem Abteil
3 zu Deckenrohren und dann wieder zu Wandrohren abgebogen sind. Die RUckwand des
Wärmetauschers wird von Wandrohren 4 verkleidet, die über einem Abteil 5 Deckenrohre
bilden und dann wieder zu Wandrohren abgebogen sind. Über dem zwischen den beiden
Abteilen 3 und 5 liegenden mittleren Abteil 6 befindet sich ein durch die oberen
Strecken der Rohre 2 und 4 auf einen geringeren Querschnitt beschränkter Gaszug
mit Verdampferheizflächen 7 und weiteren nachgeschalteten Heizflächen 8 (Ekonomiser,
Luftvorwarmer od. dgl.).
-
Die Wandrohre 1, 1' gehen von unteren Längsvertei lern 9 aus und münden
in obere Längssammler 10, 10' ein, die mit der Dampfabscheidetrommel 11 unmittelbar
(Sammler 10) oder über eine Ableitung 10'' (Sammler 10') verbunden sind. Die Frontwandrohre
2 gehen von einem Querverteiler 12 aus, der mit den Längsverteilern 9 verbunden
ist, und munden in einen an die Längssammler 10 angeschlossenen Querverteiler 13.
Die Rückwandrohre 4 sind an den Querverteiler 14 und Quersammler 15 angeschlossen,
die ebenfalls mit den Längsverteilern bzw. -sammlern verbunden sind.
-
Von den oberen Sammlern führen Dampfuberströmrohre 16 zur Dampfabscheidetrommel
11, vorabgeschiedenes Wasser wird unter Umgehung der Trommel 11 über unbeheizte
RUcklaufrohre 17 den Verteilern zugeführt, die auch Uber Fallrohre 18 von der Trommel
her mit Wasser versorgt werden.
-
Der Boden der drei Abteile 3, 5 und 6 wird von einer Loch- oder Düsenplatte
19 gebildet, unter der sich fur jedes der Abteile je eine eigene Luftkammer 20 befindet.
Die in die Kammern 20 eingeblasene Luft tritt durch die Platte 19, auf der eine
Schicht aus inerten Materialien liegt, die dadurch zum Wirbeln oder Fließen gebracht
wird. Die Oberfläche
21 der Wirbelschicht liegt im allgemeinen
etwas unter der Oberkonte der die Abteile 3, 5 und 6 voneinander trennenden Wände
22.
-
In die Abteile 3 und 6 wird Brennbares über (nicht gezeigte) Zufuhranordnungen
eingebracht. Das Abteil 5 ist eine Nachverbrennungskammer (carbon burn-up cell),
der im Abscheider 23 aus den Gasen ausgeschiedenes Brennbares wieder zugefuhrt wird.
Im Abteil 3 liegt, im wesentlichen in die Wirbelschicht eintauchend, ein Überhitzer
24.
-
Im Abteil 6 sind an den Wandrohren 1' die Verdampferheizflächen 7
und 7' angeschlossen, wobei die Heizflächen 7' ebenfalls im wesentlichen in die
Wirbelschicht eintauchen.
-
Wie Fig. 4 zeigt, bestehen die Heizflachen 7' aus mehreren U-förmig
gebogenen Rohren 7a, die arbeitsmittelein- und -austrittsseitig mit den Rohren 1'
verbunden sind, wobei am gleichen Wandrohr 1' angeschlossene U-Rohre 7a in einer
gemeinsamen lotrechten Ebene liegen. Wenigstens an denjenigen Rohren 1', die Heizflächen
7'tragen, sind in den Freiraum oder Gaszug oberhalb der Wirbelschicht hineinragende,
maanderförmig gebogene Rohre 7b angeschlossen, die die Heizflächen 7 bilden. Auch
diese Rohre 7b sind arbeitsmittelein- und -austrittsseitig mit den Wandrohren 1'
verbunden und sie liegen am jeweiligen Wandrohr in einer lotrechten Ebene. Vorzugsweise
ist jedes Wandrohr 1', an dem maanderförmige Rohre 7b angebracht sind, mit einem
eigenen unbeheizten Rucklaufrohr 25 versehen.
-
Bei den als Beispiel gezeigten Wirbelschicht-Warmetauschern sind an
den gegenüberliegenden Wandrohren 1', gleichartig ausgebildete wärmeaufnehmende
Flachen 7, 7' in gegenstöndiger Anordnung angebracht, die in der gleichen lotrechten
Ebene liegen.
-
Eine versetzte Anordnung der von gegenüberliegenden Wänden ausgehenden
warmeaufnehmenden Flachen 7, 7' kann in bezug auf die Verwirbelung der wärmeubertrogenden
Teilchen und auf den Wärmeubergong auf die Flächen 7, 7' von Vorteil sein. Auch
ist es bei der versetzten Anordnung möglich, die wärmeaufnehmenden Flächen 7, 7'
mehr oder weniger weit zahnartig ineinandergreifen zu lassen, wodurch u.a. der Wärmeentzug
aus dem Zentrum der Wirbelschicht erhöht und dem in den wandnahen Bereichen angepaßt
werden kann, in welchen Bereichen die Wandrohre selbst auch eine Kühlwirkung ausüben.