DE2815825C2

DE2815825C2 - Verfahren zum Wärmetausch und Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2815825C2
Application number: DE2815825A
Authority: DE
Inventors: Dick Gerrit Dr. Hillegom Klaren
Original assignee: Esmil Bv Amersfoort Nl; Esmil Amersfoort BV
Current assignee: ESKLA HALFWEG NL B V
Priority date: 1977-04-12
Filing date: 1978-04-12
Publication date: 1984-11-29
Also published as: SE7804076L; FI68461C; LU79418A1; ZA782109B; JPS5926235B2; FR2387431B1; IL54481A0; JPS53126560A; GB1592232A; BE865911A; DE2815825A1; IT1108604B; BR7802287A; AU3495178A; FI68461B; ES468695A1; CA1095507A; US4220193A; AU515701B2; NL7703939A

Description

9. Mehrstufiger Wärmetauscher, bestehend aus einer Anzahl von in Reihe angeordneten Wärmetauschern nach Ansprüchen 3 bis 8, die übereinander montiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die obere Kammer (8) jedes einzelnen Wärmetauschers die untere Kammer (7) des nächsthöheren Wärmetauschers bildet.

40 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmetausch entsprechend dem Oberbegriff des Patentan-

45 Spruchs F.in solches Verfahren ist aus einem Wärmetauscher, bei dem ein körniges oder tcikhenförmiges Material in senkrechten Rohren fluidisiert wird, für die Frischwassergewinnung z.B. aus der US-PS 39 91 816 bekannt Die Feststoffteilchen sollen dabei aufgrund ihres fluidisieren Zustandes (Wirbelschicht) den Wärmeaustausch zwischen den Rohrwänden uml dem primären Medium bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit desselben verbessern.

Dabei ist jedoch eine Drosselvorrichtung am Einlaß jedes Wärmetauscherrohres notig, um die Füllung der Feststoffteilchen in allen Rohron bis hinauf zur oberen Kammer für das primäre Medium gleichmäßig zu fluidisieren. Die Arbeitsweise dieses Wärmetauschers

bo hängt weitgehend von dem Ausmaß ab, in welchem die Drosselvorrichtungen dafür anfällig sind, verstopft zu werden und damit den Durchlaß zu blockieren. Wenn eine Drosselvorrichtung blockiert wird, wird das betreffende Rohr vollständig mit den Teilchen ;ius der Wirbcl-

h5 schicht in der oberen Kammer gefüllt und damit aus dem Wärmcaustauschvcrfahrcn ausgeschaltet.

Wenn nach einiger Zeit die Zahl der verstopften Rohre einen wesentlichen Teil der gesamten Wärmeaus-

tauschfläche ausmacht, muß der Betrieb des gesamten Wärmetauschers unterbrochen werden, um die vollständig mit Teilchenmaterial gefüllten Rohre zu leeren und die Ursache für das Blockieren der Drosselvnrrichtungen für diese Rohre zu beheben. Dies kann bei großen Wärmetauschern mit Tausenden von parallelen Rohren mühsam und zeitraubend sein, auch wenn nur ein kleiner Prozentsatz aller Rohre infolge Blockierens oder Verstopfens ihrer Drosselvorrichtungen nicht mehr ak tiv ist

Die gleichen Nachteile sind auch bei der Arbeitsweise eines Wärmelauschers gegeben, wie er in der DE-OS 26 22 631 beschrieben ist. Auch dort ist am Einlaß eines jeden Wärmetauscherrohres eine Drosselvorrichtung in Form einer engen Einlaßbohrung vorgesehen, wodurch ein Austreten des in den Rohren enthaltenen Granulats verhindert werden soll. Um ein Verstopfen der einzelnen Rohre zu vermeiden, wird dort vorgeschlagen, ein spezielles Granulat zu verwenden und die Rohre von Zeit zu Zeit durchzuspülen, um stark vergrößerte Granulatkörnchen auszuscheiden.

Schließlich ist in der DE-AS 21 19 463 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wärmetausch zwischen zwei Gasen beschrieben, wobei im Gegensat/, zu dem Wärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art die Rohre nicht alle in der gleichen Richtung durchströmt werden. Vielmehr wird dort eine Zirkulation der fluidisierten Feststoffteilchen angestrebt, so daß in einem Teil der Rohre eine nach oben gerichtete und in einem anderen Teil eine nach unten gerichtete Strömung vorliegt. Bei einem derartigen Wärmetauscherprinzip stellt sich das Problem einer möglichst gleichmäßigen Zufuhr des fluidisierten Teilchenmaterials zu allen Rohren nicht, so daß aus dieser Schrift auch keine Anregungen für eine Verbesserung des eingangs genannten Wärmetauschverfahrens entnommen werden können. Allerdings sind dort auch in der unteren Kammer vor dem Eintritt des Primärnicdiums in die Wärmetauscherrohre Feststoffteilchen vorhanden, und die Verteilereinrichtung befindet sich zwischen der unteren Kammer und einer Feststoffteilchenfreien untersten Kammer.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Wärmetausch der eingangs genannten Art sowie einen Wärmetauscher zu schaffen, der gegenüber dem aus der US-Patentschrift 39 91 816 bekannten Aufbau wesentlich einfacher ist, jedoch eine gleichmäßige Verteilung des fluidisierten Teilchenmaterials an den einzelnen Rohren und gleichzeitig einen niedrigeren Gesamt-Strömungswiderstand ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der vorgenannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalendes Patentanspruchs 1 gelöst.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Druckabfall folgender Bedingung genügt:

mit einer an den oberen Enden der Rohre vorgesehenen oberen Kammer, in welche das Primärmedium aus den Rohren austritt, wobei die Rohre und die obere Kammer riuidisicrbare Feststoff-Teilchen enthalten. Er ist erfindungsgemäß dahingehend ausgestaltet, daß auch in der unteren Kammer vor dem Eintritt des Primärmediums in die Wärmetauscherrohre Feststoffteilchen vorhanden sind und die Verteilereinrichtung sich zwischen der unteren Kammer und einer Feststoffteilchen-freien

ίο untersten Kammer befindet, daß die Strömungsmenge oder -geschwindigkeit des Primärmediums so gewählt sind, daß die Feststoffteilchen in den Rohren sowie in der oberen und unteren Kammer fluidisiert sind, daß die Verteilereinrichtung das Primärmedium über den Querschnitt der unteren Kammer hinweg gleichmäßig in die Feststoffteilchen der unteren Kammer eintreten läßt und daß der Druckabfall (Pj) über die Verteilereinrichtung sowie der durch die gesamten Wärmetauscher hervorgerufene Druckabfall (Ph) folgender Bedingung genügen:

0,025 <

Λ P_t

X 100 < 50.

0,01

100<400.

Bei einem nach dein erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Wärmetauscher werden als bekannt vorausgesetzt senkrechte Rohre, die in Aufwärtsrichtung von einem Primärmedium durchströmt sind und um die herum im Betrieb ein Sekundärmedium strömt, eine an den unteren Enden der Rohre angeordnete untere Kammer, aus welcher das Primärmedium in die Rohre eintritt, mit einer Verteilereinrichtung zur Verteilung der Strömung über die Qiierschnittsfläche der Rohre und Unter Berücksichtigung der genannten Bedingung in bezug auf ΔΡα und Δ Pb kann das Risiko für das Auftreten bevorzugter Strömungswege in unterer oder oberer Kummer und für die damit verbundene ungleichmäßige Verteilung des fluidisierten Teilchenmaterials in den Rohren dann weiter verringert werden, wenn die Rohre nach Palentanspruch 4 mit das Einströmen in sie begünstigenden Einlaufstücken vergehen sind, die unterhalb der Oberseite der unteren Kammer angeordnet sind. Diese Einlaufstücke können nach Patentanspruch 5 das untere Ende dieser Rohre selbst bilden.

Vorzugsweise sind nach Patentanspruch 6 die Einlaßöffnungen der Einlaufstücke zumindest zum Teil so angeordnet, daß die Strömung durch sie in Querrichtung erfolgt. Die F.inlaufstückc bieten den Vorteil, daß das fluidisiertc Teilchenmaterial in der unteren Kammer frei vom Rohrboden liegt, in welchem die Rohre befestigt sind. Auf diese Weise wird ein einwandfreier Austausch des Teilchenmalerials zwischen den Rohren und der unteren Kammer begünstigt, wobei dieser Austausch außerdcm weniger empfindlich für eine Schräglage des Wärmetauschers wird.

Eine der Aufgaben des Teilchenmaterials in den Rohren besteht darin, den Wärmeübergang zur und von der Innenfläche jedes Rohres zu verbessern. Zur Gewährleistung einer merklichen Wirkung auf den Wärmeübergang muß eine bestimmte Menge Teilchenmaterial in den Rohren vorhanden sein. Weil das Teilchenmaterial in der unteren Kammer ebenfalls fluidisert und damit in einem Schwebezustand vorliegen muß, steigt jedoch insgesamt die Durchlässigkeit des Teilchenmaterials in den Rohren stark an, weil die Geschwindigkeit des primären Mediums in den Rohren höher ist als in der unteren Kammer.
Trotz der Fluidisierung des körnigen Teilchenmaterials in der unteren Kammer kann ein besonders günstiger Wärmeübergang in den Rohren erzielt werden, wenn die Querschnittsfläche der unieren Kammer (A₀) unmittelbar unter den öffnungen für den Eintritt in die Rohre und die Summe der Innen-Querschnittsflächen

b5 aller Rohre (A₁,) nach Patentanspruch 7 der folgenden Bc/.iehung

\,75<A,JA,,<\e

und vorzugsweise nach Patentanspruch 8 der Bedingung

\»5<Ao/A_p<8

genügen.

Für den Fachmann auf dem Gebiet der Fließbettwärmetauscher mit Wirbelschichttechnik stellt es keine Schwierigkeit dar, die Querschnittsfläche des Rohrbündels auf dieser Grundlage zu bemessen.

Gewünschtenfalls könen nach Patentanspruch 9 zwei oder mehr Wärmetauschereinheiten übereinander gesetzt und in Reihenschaltung betrieben werden. Die obere Kammer des unteren Wärmetauschers bildet dabei gleichzeitig die untere Kammer für den nächsten, darüber befindlichen Wärmetauscher. Die Zahl der Rohre und ihre Innendurchmesser können in jedem Wärmetauscher verschieden sein, solange der einwandfreie Austausch des Teilchenmaterials zwischen unterer Kammer, oberer Kammer und Rohren gewährleistet ist. Ebenso können bei jedem Wärmetauscher Rohre mit veränderlichem Innendurchmesser benutzt werden.

Bei der Fluidisierung des Teilchenmaterials in der unteren Kammer jedes Wärmetauschers kann in dessen Rohren ein einwandfreier Wärmeübergang dann erzielt werden, wenn bei jedem Wärmetauscher das vorher angegebene erforderliche Verhältnis der Größen A₁, und Abgegeben ist.

Das vorgesehene Verhältnis der Druckabfallwertc gilt auch für mehrere übereinander gesetzte Wärmetauscher, bei denen der Druckabfall aufgrund der Müsse des fluidisierten Teilchenmatcrials auf das Teilchenmaterial aller übereinander angeordneter Wärmetauscher bezogen ist.

Der Vorteil eines mehrstufigen Wärmetauschers besteht in der Möglichkeit, eine große Wärmeaustauschfläche aus vergleichsweise kleinen Einheiten zusammenzustellen. Durch Änderung der Zahl von Rohren und/oder ihrer Innendurchmesser kann die Durchlässigkeit des Teilchenmaterials in den Rohren zwischen den einzelnen Wärmetauschern ebenfalls variiert und folglich an die darin zu erzielenden Bedingungen angepaßt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Wärmetauscher mit einer oberen und unteren Kammer, jeweils mit einer fluidisierbaren Fcststoff-Teilchenfüllung, und

F i g. 2 zwei derartige Wärmetauscher übereinander gesetzt.

Der Wärmetauscher gemäß F i g. 1 hat ein Gehäuse 1, das in mehrere Kammern 2 unterteilt ist. die von parallelen senkrechten Wärmetauscher-Rohren 3 durchsetzt werden, die ihrerseits an Rohrböden 4 und 5 befestigt sind. Die Kammern 2 wirken als in Reihe geschaltete Wärmetauscherelemente. Durch diese Kammern wird außerhalb der Rohre 3 ein Sekundärmedium geleitet, das seinerseits von Kammer zu Kammer verschieden sein kann, während ein Primärmedium über eine untere, aus zwei Kammerteilen 6 und 7 bestehende Kammer in Aufwärtsrichtung über Einlaufstückc 3.1 und von hier über die Rohre 3 7.u einer oberen Kammer 8 strömt. Das Primärmedium muß bei allen Kammern 2 dasselbe sein.

Die Wärmetauscher-Rohre 3 des Rohrbündel können normale, glatte zylindrische Röhren sein. Sie können aber auch gerillt oder an der Außenfläche mit Rippen versehen sein. Im Fall von Rohren mit Rillen in der Innenfläche empfiehlt es sich, den Radius an der Sohle jeder Rille größer zu halten als die Abmessungen der Feststoffteilchen 9, mit dem die Rohre 3 gefüllt bzw. gepackt sind und die im Betrieb durch die Aufwärtsströ-

^r> mung des Strömungsmittel bzw. der Flüssigkeit des Primiirmediums im fluidisierten Zustand gehalten werden.

An der Oberseite stehen die Rohre 3 in offener Verbindung mit der oberen Kammer 8, in welcher sich eine

κι Schicht 10 der Feststoffteilchen 9 befindet, die ebenfalls fluidisiert sind.

In der unteren und oberen Kammer können die Feststoffteilchen 9 über einen Anschluß 11 und/oder einen Anschluß 12 zugeführt oder abgezogen werden. Die im

!5 unteren Kammerteil 7 in fluidisiertem Zustand vorliegenden Feststoffteilchen 9 werden an einem Eintritt in den darunterliegenden Kammerteil 6 durch eine Trennoder Verteilerplatte 13 gehindert, die mit öffnungen für den Durchtritt des Primärmediums verschen ist und die mit Rohrstutzen für den Anschluß Il versehen sein kann. Aus Festigkeitsgründen kann die Verteilerplatte 13 leicht gewölbt sein.

Die Aufgabe der Verteilerplatte 13 besteht darin, am Rohrboden 5 über dessen Gesamtfläche hinweg eine

2^ri gleichmäßige Strömung hervorzubringen; zu diesem Zweck muß das Strömungsmittel des Primärmediums beim Durchgang durch die Verteilerplatte 13 einen Druckabfall erfahren.

Der untere Kammerteil 6 ist mit einem Ablaß 14 zum

:io Entfernen von etwa in dieser Kammer abgesetzten Verunreinigungen versehen. Wenn das Priniärmedium mit Verunreinigungen beladen ist. kann es günstig sein, wenn der größte Querschnitt des Kaminerteüs 6 wesentlich größer ist als der Querschnitt des Kammerteils 7, weil hierdurch einerseits die Ausfällung der Verunreinigungen begünstigt und andererseits die Gefahr für ein Zusetzen z. R. der Bohrungen ;in der Verteilerplatte 13 verringert wird.
Mit der dargestellten Ausfülirungsform ließ sich ein stabiles und leicht regelbares Verfahren wie folgt durchführen:

Der unteren Kammer 6 eines Wärmetauschers eus einundsechzig V4-Z0II- bzw. 19-mm-Rohren wurde Se v wasser zugeführt, das in den aufeinanderfolgenden Kammern 9 durch Zufuhr von Dampf zu den Außenseiten der Rohre 3 erwärmt wurde.

Der durch die Vcrteilerplatto 13 bewirkte Druckabfall betrug dabei etwa 20% des durch das Gewicht der fluidisierten Feststoffteilchen 9 im Wärmetauscher eingeführten Druckabfalls.

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a« V irrwmat· 7 iin

bar unter den unteren Einlaßstücken 39 der Rohre 3 betrug nur etwa das 2,7fachc der Gesamidurchlaßfläche der Wärmetauscher-Rohre 3. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren 3 von etwa 0,12 m/s wurden die Feststoffteilchen in den Rohren 3 mit einer Porosität bzw. Durchlässigkeit von etwa 80% fluidisiert während die Durchlässigkeit der gleichfalls fluidisierten Feststoffteilchen in der unteren Kammer 7 bei etwa

M> 45% lag. Alle Rohre 9 waren mit den unter die Oberseite der unteren Kammer 7 hinausragenden Einlaufstükkcn 3.1 verschen.

Fig.2 veranschaulicht zwei lotrecht übereinander gesetzte Wärmetauscher der Art gemäß Fi g. I₁ bei dencn die obere Kammer des unteren Wärmetauschers auch als untere Kammer des oberen Wärmetauschers wirkt.
Der Wärmetauscher kann für Anlagen eingesetzt

werden, bei denen das Teilchenmaterial unverändert bleibt. In diesem Fall reicht es aus, wenn der Wärmetauscher mit diesem Teilchenmaterial gefüllt ist. Der er/.ielbare fluidisierie Zustand des Teilchenmatcrials im gesamten Wärmetauscher ist jedoch auch beim Abziehen ^r> bzw. Entnehmen, Zuführen oder Erneuern des Materials besonders vorteilhaft. Neben dem gleichzeitigen Einführen und Abziehender Füllung ist es auch möglich,die Füllung über die untere oder die obere Kammer nur zuzuführen oder nur zu entnehmen. Auf diese Weise iu kann das Gewicht der Feststoffüllung im Wärmetauscher variiert werden.

Es ist auch die Verwendung von Feststoffteilchen möglich, die im Betrieb anwachsen.

Dies kann z. B. dann der Fall sein, wenn der Wärme- is tauscher dazu benutzt wird, in den Rohren eine Flüssigkeit zu erwärmen, die einen aufgelösten Stoff (solute) enthält, der bei erhöhter Temperatur eine geringere Löslichkeit hat und sich an den Feststoffteilchen niederschlägt, wenn diese eine diesem Stoff mehr oder weni- 2» ger ähnliche Kristallstruktur haben. Wenn die Teilchen der Feststoffüllung oder -packung dann anwachsen, sinkt der größte Teil der Teilchen mit zunehmender Größe in den Rohren nach unten, wobei diese Teilchen sodann ohne Störung des Wärmetauscherbetriebes aus der unteren Kammer abgezogen werden können.

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Bezugszeichenliste	Gehäuse	Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
1	Kammern
2	Wärmetauscher-Rohre
3	Einlaufstücke
3a	Rohrboden
4	Rohrböden
5	unterste Kammer
6	untere Kammer
7	obere Kammer
8	Feststoffteilchen
9	Schicht von Feststoffteilchen
10	Anschluß
il	Anschluß
12	Verteilerplatte
13	Ablaß
14

40

45

55

60

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Wärmetausch in einem Wärmetauscher mit Rohren, die in Aufwärtsrichtung von einem Primärmedium durchströmt werden und um die herum im Betrieb ein Sekundärmedium strömt, wobei das Primärmedium von unten in die Rohre eintritt und die Strömung dabei über die Qucrschnittsfläche der Rohre verteilt wird und im Pri- märmedium Feststoff-Teilchen in fluidisiertem Zustand gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoff-Teilchen mittels Einstellung der Strömungsmenge oder -geschwindigkeit des Primärme- diums auch im Bereich vor dem Eintri» in die Rohre oberhalb eines Feststoff-freien Raumes sowie im Bereich oberhalb der Rohre fluidisiert und gleichmäßig verteilt gehalten werden und daß der Druckabfall (Pd) bei der gleichmäßigen Verteilung der Feststoffteilchen sowie der durch die gesamten Feststoffteilchen hervorgerufene Druckabfall (Pb) folgender Bedingung genügen:

0,01 <

X 100 < 400.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall folgender Bedingung genügt:

0,025 <

APd APb

X 100<50.

3. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit senkrechten Rohren, die in Aufwärtsrichtung von einem Primärmedium durchströmt sind und um die herum im Betrieb ein Sekundärmedium strömt, einer an den unteren Enden der Rohre angeordneten unteren Kammer, aus welcher das Primärmedium in die Rohre eintritt, mit einer Verteilereinrichtung zur Verteilung der Strömung über die Querschnittsfläche der Rohre und mit einer an den oberen Enden der Rohre vorgesehenen oberen Kammer, in welche das Primärmedium aus den Rohren austritt, wobei die Rohre und die obere Kammer fluidisierbarc Feststoff-Teilchen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß auch in der unteren Kammer (7) vor dem Eintritt des Primärmediums in die Wärmetauscherrohre (3) Feststoffteilchen (9) vorhanden sind und die Verteilereinrichtung (13) sich zwischen der unteren Kammer (7) und einer Feststoffteilchen-freien untersten Kammer (6) befindet, daß die Strömungsmenge oder -geschwindigkeit des Primärmediums so gewählt sind, daß die Feststoffteilchen (9) in den Rohren (3) sowie in der oberen (8) und unteren Kammer (7) fluidisiert sind, daß die Verteilereinrichtung (13) das Primärmedium über den Querschnitt der unteren Kammer (7) hinweg gleichmäßig in die Feststoffteilchen der unteren Kammer (7) eintreten läßt und daß der Druckabfall (Pj) über die Verteilereinrichtung (13) sowie der durch die gesamten Feststoffteilchen hervorgerufene Druckabfall (P/,) folgender Bedingung genügen:

0,01 <

x 100 < 400.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Oberseite der unteren Kammer (7) Einlaufstücke (3a) zur Begünstigung der Strömung aus der unteren Kammer (7) in die Rohre vorgesehen sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) von der Oberseite der unteren Kammer (7) mit ihren unteren Enden nach unten ragen, welche die Einlaufstücke (3a) bilden.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen der Einlaufstücke (3a) zumindest zum Teil so angeordnet sind, daß die Strömung durch sie in Querrichtung erfolgt.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (A„) der unteren Kammer (7) unmittelbar unter den öffnungen für den Eintritt des Primärmediums in die Rohre (3) und die Gesamt-fnncnquerschnittsfläche (Ap) der Rohre der folgenden Bedingung genügen:

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8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen (A_u und A₁,) der folgenden Bedingung genügen: