DE2820734A1

DE2820734A1 - Abwaermespeicher

Info

Publication number: DE2820734A1
Application number: DE19782820734
Authority: DE
Inventors: George Maurice Grover
Original assignee: Q Dot Corp
Current assignee: Q Dot Corp
Priority date: 1977-11-09
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1979-05-10
Also published as: CA1123690A; EP0001844B1; US4482004A; JPS5760558B2; JPS5469854A; DE2862224D1; FR2408805B1; EP0001844A3; FR2408805A1; EP0001844A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmeaustauschsysteme und insbesondere auf ein Gas/Wasser-Wärmewiedergewinnungssystem, das eine Anordnung von Wärmerohren zum Sammeln von Wärme aus einem Strom erhitzten Gases und zur Überführung der Wärme in ein Wasservolumen zur Erzeugung von Dampf verwendet.

Wärmegewinnungssysteme von industriellen Abgasquellen stellen eine ständig zunehmende Möglichkeit zum ökonomischen Betrieb für thermische Systeme dar. Der wirtschaftliche Vorteil irgendeiner Form der Wärmewiedergewinnung hängt von dem Vorhandensein und den Kosten von Brennstoffen ab. Offensichtlich nimmt die Ersparnis durch Wärmewiedergewinnung zu, wenn die Brennstoffkosten ansteigen. Da die Energiekosten ständig zunehmen, sind verschiedene Arten von Systemen und Verfahren zur Wiedergewinnung und Übertragung thermischer Energie, die anderweitig verlorengehen würde, entwickelt worden.

Bekannte Wärmeaustauschvorrichtungen arbeiten auf der Basis verschiedener Wärmewiedergewinnungsarten einschließlich

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Luft/Gas, Gas/Wasser und Gas/organische Fluide. Die Auswahl der Art der Wärmegewinnung hängt von den Charakteristika der Anwendung, den Prozessen, die durch den speziellen Industriezweig verwendet werden, und der wirtschaftlichen Notwendigkeit für einen gegebenen Service ab. Beispielsweise kann Dampf bei niedrigem Druck zur Erhitzung oder Absorption bei Verwendung in Klimaanlagen erzeugt werden, bei mittlerem Druck zur Verarbeitung, oder bei hohem Druck mit oder ohne überhitzung zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Die Wiedergewinnung von Wärmeenergie durch die Erzeugung von Dampf entweder hohen oder niedrigen Drucks ist wahrscheinlich die am meisten verbreitete Maßnahme der Einsparung von Brennstoff und Energie, da Dampf einen beträchtlichen Wärmeenergiebetrag pro Gewichtseinheit bestehend in wahrnehmbarer und latenter Wärme transportiert. Verschiedene Arten von Wärmewiedergewinnungsspeichern (heat recovery boiler) sind zur Wiedergewinnung der Wärmeenergie durch Erzeugung von Dampf entweder hohen oder niedrigen Drucks erhältlich. Beispiele üblicher Wärmewiedergewinnungsspeicher besitzen Einheiten von Reihenanordnungen mit geraden Rohren, die an festen oder beweglichen Verteilern angebracht sind, und Einheiten von (zurückgebogenen) Serpentinenelementen. Der Kreiswendeltyp und der Typ mit horizontalen Serpentinenelementen erfordern angetriebene Rezirkulation. Vertikale Rohreinheiten können entweder

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durch erzwungene oder natürliche Zirkulation betrieben werden. Größere Niederdruckwärmewiedergewinnungsanwendungen verwenden üblicherweise die natürliche Zirkulation, üblicherweise der Zweiwalzenart (two drum). Dies stellt im wesentlichen ein geschlossenes Schleifensystem dar, wobei der eine Schenkel der Schleife Wärme aufnimmt und der andere als das Rücklaufrohr dient, das keine Wärme aufnimmt. Der Unterschied im spezifischen Volumen zwischen Dampf und Wasser in dem erwärmten Abschnitt relativ zu dem Nur-Wasser-Abschnitt in dem Rücklaufrohr erzeugt ein natürliches Fließen von Wasser und Dampf nach oben von der unteren zur oberen Trommel. Dampf wird in der oberen Trommel freigesetzt und läuft durch einen Scheuerabschnitt zur Entfernung der Feuchtigkeit. Ein gegebenes Wasservolumen kann mehrere Male zwischen den Trommeln zirkulieren, bevor es genug Enthalpie aufgenommen hat, um seine Phase in Dampf zu ändern.

Der Mehrfachtrommelspeicher mit natürlicher Zirkulation ist stabil, die Speicherwärmeübergangskoeffizienten sind hoch und das System besitzt Reservewasser für verschiedene Anforderungen. Zu den verschiedenen dieser Anordnung innewohnenden Nachteile gehört eine überaus große Anzahl von Rohren, die für das Rücklaufsystem erforderlich ist, das Erfordernis, daß gebogene Rohre notwendig sind, um unterschiedlichen Druck aufzunehmen, und daß die Speichertrommeln für Betrieb bei hohem Druck dicke Wände aufweisen müssen.

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Bei dem Betrieb üblicher Abwärmespeieher hängt die Rate des Wärmeübergangs von dem Abgas zu dem Kesselwasser von der Temperatur und der spezifischen Wärme des Gases, der Geschwindigkeit und der Richtung des Gases über den die Wärme absorbierenden Flächen des Kessels oder Warmwasserspeichers und der Sauberkeit der Flächen ab. Für einen geeigneten Wärmeübergang von dem Abgas zum Speicherwasser müssen genügend Schichten vorhanden sein oder ein induzierter Umwälzungslüfter, um die Luftzugsverluste aufgrund des erforderlichen Gasflusses über den die Wärme absorbierenden Flächen mit einer Möglichkeit zur Verschmutzung dieser Flächen zu überwinden. Im Vergleich zu direkt beheizten Anordnungen sind die Gastemperaturen im wesentlichen niedriger und demzufolge ist der Strahlungsanteil in dem Wärmeübertragungsvorgang ebenfalls niedriger. Demzufolge liegt die Tendenz bei Abgaswärmespeichern in der Richtung, sie für höhere Gasgeschwindigkeiten über den Rohren auszulegen, um die Konvektionskomponente der Wärmeübertragung zu erhöhen. Jedoch erzeugt eine bedeutende Anzahl von industriellen Prozessen einen wesentlichen Betrag erwärmtes Abgas, das nur zur Wiedergewinnung von thermischer Energie bei verhältnismäßig niedrigen Flußgeschwindigkeiten zur Verfügung steht. Deshalb existiert eine Anzahl von industriellen Prozessen, bei der die Wiedergewinnung von Abwärme durch konventionelle Wärmeaustauscher verhältnismäßig uneffizient aufgrund der innewohnenden niedrigen Flußgeschwindigkeit ist. Im Hinblick

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auf die ständig anwachsenden Energiekosten besteht eine fortdauernde Notwendigkeit für neue und verbesserte Systeme zur Wiedergewinnung von Abwärme, die wirkungsvoll bei relativ niedrigen Flußgeschwindigkeiten arbeiten.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung von Wärmerohren in Verbindung mit einem Dampfkessel zu Wiedergewinnung und Übertragung thermischer Energie in einem Abwärmewiedergewinnungssystem, das effektiv bei niedrigen Flußgeschwindigkeiten arbeitet. Wärmerohre besitzen üblicherweise eine abgedichtete Umhüllung, die ein Arbeitsfluid enthält, das sowohl eine flüssige Phase als auch eine Dampfphase in dem gewünschten Bereich der Arbeitstemperatur besitzt. Wenn ein Abschnitt des Wärmerohres einer relativ höheren Temperatur ausgesetzt ist, wirkt es als ein Verdampferabschnitt. Das Arbeitsfluid wird in dem Verdampfungsabschnitt verdampft und fließt in Dampfphase zu dem relativ niedertemperierten Abschnitt der Umhüllung, der ein Kondensatorabschnitt wird. Das Arbeitsfluid wird in dem Kondensatorabschnitt kondensiert, was einen Übergang von thermischer Energie aufgrund der Phasenänderung des Arbeitsfluids ergibt. Das kondensierte Arbeitsfluid wird dann in flüssiger Phase zurück zu dem Verdampferabschnitt transportiert, wo der Prozeß wiederholt wird.

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Die Verwendung von Wärmerohren oder Wärmeübertragungsrohren in Verbindung mit einem Dampfkessel bietet verschiedene Vorteile gegenüber üblichen Wärmeaustauschanordnungen. Beispielsweise ermöglicht die Übertragungscharakteristik des Wärmerohrs das Sammeln von Wärme von einer verteilten Quelle wie zum Beispiel Abgas niederer Geschwindigkeit sowie die Übertragung der Wärme in eine konzentrierte thermische Senke wie zum Beispiel ein Wasservolumen. Die Einfachheit des Abdichtens eines Wärmerohres durch eine einzige oder doppelwandige Verteiler- oder Sammlerplatte liefert eine vollständige Isolierung eines Pluidstromes von dem anderen. Wegen der Verbindung in dem einzigen Punkt erstrecken sich sowohl das Verdampfer- als auch das Kondensatorende des Wärmerohrs frei, wodurch Beanspruchungsprobleme aufgrund thermischer Expansion und Kontraktion sehr klein gehalten werden. Weiterhin steht die Außenseite des Wärmerohrs bei beiden Fluidströmungen zur Verfügung zur Reinigung, für einen Rippenaufbau für eine vergrößerte Oberfläche oder für eine spezielle Flächenbehandlung, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Wärmerohre werden in der vorliegenden Erfindung verwendet, um Wärmeenergie von einem Strom erhitzten Abgases wiederzugewinnen und zu einem Wasservolumen, das in einem Speicher angeordnet ist, zu übertragen, um erwärmtes Wasser unter Druck oder für die Erzeugung von Dampf zu erhalten. Der Strom

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des erwärmten Abgases wird durch eine Konvektionswärmekammer geleitet, wo er mit dem Verdampferabschnitt eines oder mehrerer Wärmerohre in Berührung kommt, die die Konvektionswärmeübertragungskammer in thermischer Verbindung mit einem Speicher halten, in dem ein Wasservolumen untergebracht ist. Das Kondensatorende jedes Wärmerohres ragt durch eine in einem Seitenabschnitt des Sammeltanks in thermischer Verbindung mit dem darin angeordneten Wasservolumen angebrachten Sammel- oder Verteilplatte. Ein Arbeitsfluid ist in jedem Wärmerohr enthalten, das durch einen thermodynamischen Zyklus gekennzeichnet ist, bei dem das Arbeitsfluid die Dampfphase in Ansprache auf die Zufuhr von Wärmeenergie von der erwärmten Gasphase durch den Verdampferabschnitt des Wärmerohres annimmt, wodurch es von dem Verdampferabschnitt zu dem Kondensatorabschnitt fließt, und in dem Kondensatorabschnitt in Ansprache auf den Übergang der Wärmeenergie durch den Kondensator zu dem Wasservolumen die flüssige Phase annimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Übergang der thermischen Energie wesentlich durch ein Heben des Kondensatorabschnitts über den Verdampferabschnitt verbessert, wodurch wesentliche Mengen unverdampften Arbeitsfluids von dem Verdamperabschnitt zu dem Kondensatorabschnitt transportiert werden können.

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung zirkuliert ein Teil des Abgasflusses, der von der Konvektionswärme-

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übergangskammer nach dem Wärmeübergang abgegeben wird, in einer regenerativen Arbeitsweise, in der das Abgas in die Eingangsöffnung der Konvektionswärmekammer zum Vergrößern des Massenflusses bei verringerter Geschwindigkeit für einen optimalen Wirkungsgrad geführt wird. Die regenerative Betriebsweise kann auch verwendet werden, um vorteilhafterweise die Temperatur des erwärmten Abgasflusses zu verringern, wenn diese Temperatur die Betriebsgrenzen des Arbeitsfluids in den Wärmerohren übersteigt. In beiden Fällen wird der Massenfluß vergrößert und dadurch der Wärmeübergang in dem Verdampferabschnitt verbessert.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung ist ein überhitzungsbetrieb durch das Verbinden von zwei oder mehr Konvektionswärmeübergangskammern in einer Fluidreihenverbindung miteinander vorgesehen. Die Wärmerohre verbinden die Abstrom-Konvektionswärmeübergangskammer thermisch mit einem Dampfspeichertank. Der Dampf, der durch diese Anordnung erzeugt wird, wird in den Eingang eines zweiten Speichertanks geführt, wo er durch eine zweite Wärmerohranordnung überhitzt wird, in der ein Kondensatorabschnitt innerhalb des zweiten Speichertanks in thermischer Verbindung mit dem Strom gesättigten Gases angeordnet ist und die auch einen Verdampferabschnitt in einer Aufstrom-Konvektionswärmeaustauschkammer besitzt. Der erhitzte Gasstrom läuft zuerst durch die Aufstrom-

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Konvektionswärmeübergangskammer bei einer gegebenen Temperatur, um den gesättigten Dampf auf einen Überhitzungswert anzuheben. Der Fluß erwärmten Abgases dauert fort bis zur Rücklaufkonvektionswärmeaustauschkammer bei einer niedrigeren Temperatur mit genügender Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf in dem Rücklaufspeichertank.

Die genannten und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anschließend deutlich, und zum Zweck der Darstellung der Erfindung, jedoch nicht als Begrenzung, ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung in Zusammenhang mit der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Abwärmewiedergewinnungssystems, das gemäß der Lehre der Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 2 ist die Schnittansicht von der linken Seite entlang der Linie II-II in Fig. 1 ;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Wärmerohranordnung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung;

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Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das eine regenerative Betriebsweise der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das die Kombination zweier Wärmegewinnungssysteme der vorliegenden Erfindung im Überhitzungsbetrieb darstellt.

In der folgenden Beschreibung und den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es soll jetzt Bezug auf die Figuren 1 bis 3 genommen werden, in denen ein Wärmegewinnungssystem, das gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das Wärmegewinnungssystem 10 besitzt ein Gehäuse 11, das eine Konvektionswärmeübergangskammer 12, einen Dampfspeichertank 14 und eine Wärmerohranordnung 16 besitzt, die die Konvektionswärmeübergangskammer 12 und den Dampfspeichertank 14 thermisch miteinander verbindet. Das Gehäuse 11 ist mit einer Einlaßöffnung 18 versehen, durch die ein Strom erwärmten Abgases, gekennzeichnet durch den Pfeil 20, in die Konvektionswärmeübergangskammer 12 und durch die Wärmerohranordnung 16, wo thermische Energie übertragen wird, fließt. Nachdem der thermische Energieübergang eingetreten ist, fließt das Abgas durch eine Auslaßöffnung 22 zu einem Abgasschacht durch einen von einem Lüfter (nicht dargestellt) induzierten Luftstrom.

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Die Quelle des erwärmten Äbgasstromes 20 kann von einem beliebigen industriellen Prozeß herstammen, jedoch zur Diskussion der vorliegenden Erfindung soll angenommen werden, daß er von einer Gasturbine abgegeben wird, die in einem Gesamtenergiesystem verwendet wird, um einen Wechselstromgenerator oder einen mechanischen Kühlapparatkompressor anzutreiben. Ein derartiges Gesamtenergiesystem kann verwendet werden, um die gesamte Energie, Licht, Wärme und Kühlung für ein Hotel, eine Schule, ein Einkaufszentrum oder ein Krankenhaus zu liefern. Gasturbinenabgastemperaturen liegen typischerweise im Bereich von 670 bis 81O°K (750 bis 1000°F) und können deshalb als in dem mittleren Temperaturbereich liegend betrachtet werden und erfordern keine besonderen Materialien oder Stahllegierungen in dem Wärmeaustauscher 16.

Das Gehäuse 11 und die Konvektionswärmeübergangskammer 12 sind im wesentlichen im Aufbau rechtwinklig und besitzen eine relativ größere Breite als Tiefe, um die länglichen Verdampfungsabschnitte 24 der Wärmerohranordnung 16 aufzunehmen. Die Einlaßöffnung 18 ist mit der Konvektionswärmeübergangskammer 12 über eine Einlaßübergangshaube 26 verbunden, und die Abgasöffnung ist mit der Konvektionswärmeübergangskammer durch eine Auslaßübergangshaube 28 verbunden. Das Gehäuse 11 und die Konvektionswärmeübergangskammer 12 sind in aufrechter Stellung auf Trägerschienen oder einer Unterlage 30 gelagert. Der Dampfspeicher-

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tank 14 ist in aufrechter Stellung auf den Schienen 30 über vertikale Doppel-T-Träger 32, horizontale Doppel-T-Träger und Winkelplatten 36 in einer Stellung direkt neben der Konvektionswärmeübergangskammer 12 gehalten und überlagert die Einlaßübergangshaube 26 und die Einlaßöffnung 18. Diese spezielle räumliche Anordnung der wichtigsten Komponenten des Wärmewiedergewinnungssystems 10 ist erforderlich"aufgrund der länglichen Geometrie der Wärmerohranordnung 16 und der Notwendigkeit, daß der Kondensatorabschnitt jedes Wärmerohres physikalisch in dem Wärmespeichertank 14 liegt.

Der Wärmespeichertank 14 ist im wesentlichen im Aufbau zylindrisch und besitzt hemisphärische Endabdeckungen 38, die an jedem Ende angeschweißt sind. Gemäß dieser typischen Anordnung ist das Abwärmewiedergewinnungssystem dazu ausgelegt, 2100 MJ (2 X 10 BTU) pro Stunde bei gesättigtem Dampf von 0,69 MPa (100 psi) zu erzeugen. Deshalb kann übliches Aufbaumaterial wie zum Beispiel Flußstahl (mild steel) verwendet werden, um den Dampfspeichertank 14 zum Betrieb in diesem Temperaturbereich einschließlich eines Drucksicherheitsfaktors aufzubauen .

Der Dampfspeichertank 14 ist mit einem üblichen Sicherheitsventil 40 und einem Druckmeßgerät 41 ausgerüstet, und ein Dampfablaßrohr 42 zur Förderung von Dampf 43 ist entlang der

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oberen Fläche des Tanks angeordnet. Ebenso ist der Dampfspeichertank 14 mit einer Wasserhöhensteuerung 44 ausgerüstet, die ein Sichtglas 56 und einen Niedrigwasserabschaltübertrager 48 besitzt.

Ein das Kondensat sammelnder Tank 50 ist mit dem Kondensat 51 durch eine das Kondensat zurückführende Leitung 52 von dem
Prozeß, der den von dem System erzeugten Dampf verwendet, der beispielsweise ein Dampfturbinen betriebener Wechselstromgenerator (nicht dargestellt) sein kann, gefüllt. In gewissen Situationen kann zusätzliches Aufbereitungswasser erforderlich sein, wo nur ein ungenügender Betrag von Kondensat zur Verfügung steht. Für diesen Fall wäre ein getrennter, nicht
dargestellter Wasservorerhitzer wirtschaftlich. Das Kondensat oder das in dem Sammeltank gesammelte Aufbereitungswasser
wird zu dem Sammeltank 14 durch eine Wasserpumpe 54 und eine
Fülleitung 56, die durch die Seite des Dampfsammeitanks 14
ragt und den Fluß nach unten, wie durch den Pfeil 58 dargestellt, richtet, wie es aus den Figuren 1 und 2 der Zeichnung am besten ersehen werden kann, geführt. Diese Flußanordnung
für das Wasser, das in den Dampfspeichertank 14 abgegeben wird, hilft zur Schaffung eines zirkulierenden Stromflusses innerhalb des Wasservolumens 62 in Zusammenarbeit mit der Bewegung von Dampfblasen, die von dem Kondensatorendabschnitt der
Wärmerohranordnung 16, wie durch den Pfeil 64 angezeigt, auf-

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steigen. Der Zirkulatorstromfluß innerhalb des Wasservolumens 62 sorgt dafür, daß das eintretende Wasser gleichmäßig innerhalb des Speichertanks gemischt wird, wodurch die Dampfproduktionsrate verhältnismäßig konstant bleibt. Weiterhin mischt die Einlaßanordnung das einkommende Wasser derart, daß keine kalten Ströme unmittelbar auf die geschweißten Flächen fließen, die gegenüber thermischen Schocks empfindlich sind.

Ein wichtiges Merkmal des Dampfspeichertanks 14 ist die Schaffung einer Druckverteilerplatte 66 in einer rechtwinkligen Öffnung auf einer Seite des Tanks. Die Druckverteilerplatte 66 dient als Verbindung zwischen dem Kondensatorabschnitt der Wärmerohranordnung 16, die vollständig innerhalb des Dampfspeichertanks 14 angeordnet ist, und dem Verdampferabschnitt der Wärmerohranordnung, der vollständig in der Konvektionswärmeübergangskammer 12 angeordnet ist. Jedes Wärmerohr in der Wärmerohranordnung 16 verläuft durch eine kreisförmige öffnung innerhalb der Druckverteilerplatte 66 und ist mit den umgebenden Abschnitten der Druckverteilerplatte 66 durch eine übliche Druckdichtungstechnik wie zum Beispiel Explosionsschweißen (explosive bonding) verbunden. Die fluidundurchlässige Dichtung, die durch diese Technik erzeugt wird, stellt sicher, daß der erwärmte Abgasstrom und das Wasser physikalisch voneinander isoliert sind.

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Es wird jetzt Bezug auf die Figuren 1 bis 4 genommen, in denen die Warmerohranordnung 16 dargestellt ist, die eine rechtwinklige Anordnung von Wärmerohren 68 besitzt, die in Zeilen und Spalten in gestaffelter Weise angeordnet sind. Die Wärmerohre 68 besitzen einen identischen Aufbau, wie es in Fig. 4 dargestellt ist und wie er in dem US-Patent 4 020 898 von George M. Grover, das der Anmelderin gehört, beschrieben ist. Es können auch vorteilhafterweise andere Wärmerohraufbauten wie zum Beispiel die in dem US-Patent 3 865 184 von George M. Grover verwendet werden, das ebenfalls der Anmelderin gehört.

Das bevorzugte Wärmerohr in der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 der Zeichnung mit 68 bezeichnet. Das Wärmerohr besitzt eine äußere, rohrförmige Umhüllung 70, die typischerweise ein rohrförmiges Teil ist, dessen Länge um ein mehrfaches größer als der Durchmesser ist. Die äußere Rohrumhüllung 70 ist mindestens etwa 2,40 m (8 feet) lang und besitzt einen inneren Durchmesser von etwa 1,2 bis 2,5 cm (1/2 bis 1 inch). Derartige Abmessungen sollen als typisch genannt werden, wobei einleuchten dürfte, daß die Gesamtlänge und der Durchmesser derartiger Wärmerohre über einen weiten Bereich variiert werden können in Abhängigkeit von den speziellen Anwendungen. Während das gezeigte Wärmerohr 68 derart dargestellt ist, daß es ein im wesentlichen zylindrisches Rohrteil 70 als äußere Rohrumhüllung besitzt, dürfte es einleuchten, daß verschiedene

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andere geometrische Formgebungen, beispielsweise rechtwinklige oder im Querschnitt quadratische Rohrteile verwendet werden können. Jedoch wurde herausgefunden, daß das zylindrische Rohrteil 70 leicht und wirtschaftlich in dem Wärmerohr 68 zur Verwendung bei dieser Erfindung ausgebildet werden kann. Üblicherweise ist das äußere rohrförmige Teil 70 aus einem thermisch leitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Stahl oder ähnliches hergestellt, damit die thermische Energie von dem Inneren des Wärmerohres durch die Wände des äußeren rohrförmigen Teils 70 nach außen und umgekehrt passieren kann.

Eine Vielzahl von üblichen, thermisch leitenden Wärmeaustauscherrippen 72 können an axial beabstandeten Punkten auf dem Äußeren der rohrförmigen Umhüllung 70 derart befestigt werden, daß sie eine gute Wärmeüberleitung zwischen den Rippen und der Umhüllung liefern. Dies vergrößert die effektive Fläche, über die die Wärmeleitung auftritt. Es wurde herausgefunden, daß derartige Rippen den Wirkungsgrad der thermischen Energieübergabe insbesondere für einen Übergang von einem Gasstrom zur Wand verbessern. Die Rippen können üblicherweise weggelassen werden, wenn der Wärmeaustausch bei einer Flüssigkeit anstelle einem Gas auftritt. In der modulartigen Wärmerohranordnung 16, die in Fig. 2 dargestellt ist, besitzt jeder der Verdampferabschnitte 24A, 24B und 24C progressiv mehr Wärmeaustauscherrippen 72, um einen gleichmäßigen Wärmeüber-

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gang vorzusehen, da die Temperatur des erhitzten Abgasstroms abnimmt, wenn es durch jeweils einen Modulabschnitt hindurchläuft. Bei der Auswahl einer Rippenanordnung sollten die von dem heißen Gas mitgerissenen Feststoffe betrachtet werden, um die äußere Rippenausgestaltung auszuwählen. Mit Erdgas betriebene Gasturbinen erzeugen einen sehr reinen Abgasstrom, demzufolge können hohe, nahe beabstandete Rippen verwendet werden, bis zu einer Rippendichte von vier Rippen pro cm (10 Rippen pro inch). Die Höhe der Rippen verringert, obwohl sie zur Gesamtfläche beiträgt, die Wirksamkeit der Rippen aufgrund des längeren thermischen Weges. Große Rippen vergrößern auch die Durchflußfläche oder Gasdurchlaßfläche. Alle diese Faktoren müssen bei der Auslegung für die wirkungsvollste Verwendung der Wärmerohre ausgewogen werden.

In dem vorliegenden Beispiel sind die Wärmerohre 68 typischerweise Kohlenstoffstahl von 2,54 cm (1 Zoll) Außendurchmesser, die in 5 cm (2 inch) Mittelabständen und 5 cm Abstand zwischen den Reihen in Zickzackanordnung angebracht sind, wie es am besten aus den Figuren 1 und 3 der Zeichnung ersehen werden kann. Vorzugsweise werden acht Rippen 72 von 0,6 mm (0,024 inch) Flußstahl mit aluminisierter Oberfläche an das äußere Rohrteil 70 explosiv geschweißt. Wie oben diskutiert, kann es wünschenswert sein, eine unterschiedliche Anzahl von Rippen in jedem Modulabschnitt zu haben, deshalb ist der Abstand für jeden

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Abschnitt unterschiedlich, wenn eine Modulanordnung aufgebaut wird. Die entgegengesetzten Enden der rohrförmigen Teile 70 sind durch die Endabdeckungen 74 hermetisch geschlossen. In dem Aufbau des Wärmerohrs wird die rohrförmige Umhüllung 70 durch einen Zugang, der an dem Endabschluß 74 vorgesehen ist, evakuiert. Danach wird die Umhüllung 70 mit einem nicht dargestellten, in flüssiger Phase und Dampfphase arbeitenden Arbeitsfluid wie zum Beispiel einem handelsüblichen Kühlmittel R12 oder Toluen gefüllt. Die Endabdeckung 74 wird dann durch Bördeln, Löten oder Schweißen permanent gedichtet.

Die Menge des Arbeitsfluids, die in dem Wärmerohr verwendet wird, ist, wie herausgefunden wurde, für einen wirkungsvollen Betrieb relativ wichtig. Es hat sich erwiesen, daß die Wärmeübergangsfähigkext für die Wärmerohre 68 maximal ist, wenn die Menge des Arbeitsfluids in dem Wärmerohr derart ist, daß die flüssige Phase in einer Größenordnung von etwa 40 bis 75 % des Volumens der rohrförmigen Umhüllung 22 bei den gewünschten Betriebstemperaturen ist.

Die Endabschnitte jedes Wärmerohrs 68, die vollständig innerhalb der Konvektionswärmeübergangskammer 12 angeordnet sind, stellt insgesamt einen Verdampferabschnitt dar, wie es durch die gestrichelte Linie 76 bezeichnet wird. Die entgegengesetzten Endabschnitte des Wärmeüberleitungsrohrs 68, die vollständig

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innerhalb des DampfSpeichertanks 14 angeordnet sind, stellen insgesamt einen Kondensatorabschnitt für die Wärmerohranordnung 16 dar, wie es durch die gestrichelte Linie 78 dargestellt ist, was am besten in Fig. 2 der Zeichnung zu erkennen ist. Die Wärmerohranordnung 16 überträgt eine große Menge thermischer Energie zwischen dem Verdampferabschnitt 76 und dem Kondensatorabschnitt 78 durch die geschlossene Zyklusbewegung des Arbeitsfluids, wenn es in dem Verdampferabschnitt verdampft wird und sich zu dem Kondensatorabschnitt bewegt, wo es kondensiert und wieder zu dem Verdampfer zurückkehrt.

Es wurde herausgefunden, daß die Größe der thermischen Energie, die für ein gegebenes Feld von Wärmerohren ausgetauscht werden kann, dadurch vergrößert werden kann, daß der Kondensatorabschnitt 78 in einem Winkel θ bezüglich des Verdampferabschnittes 76 angehoben wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Gemäß dieser Anordnung wird zumindest ein Teil des flüssigen Arbeitsfluids, das in dem Verdampferabschnitt enthalten ist, verdampft, und der verdampfte Teil steigt zu dem verhältnismäßig kühlen Kondensatorabschnitt der Wärmerohranordnung auf, wo er kondensiert und durch die Schwerkraft zurückfließt. Aufgrund der Phasenänderung des Arbeitsfluids von Flüssigphase in Dampfphase und dann zurück in Flüssigphase werden große Mengen thermischer Energie zwischen dem Verdampfungsabschnitt und dem Kondensatorabschnitt des Wärmerohres übertragen.

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Es wird jetzt wieder Bezug auf Fig. 4 genommen, in der eine Rückführleitung oder Flußseparator 80 für die flüssige Phase dargestellt ist, die in der rohrförmigen Umhüllung 70 liegt und sich von dem Verdampfungsabschnitt 76 zu dem Kondensatorabschnitt 78 erstreckt. Die Rückführleitung 80 für die flüssige Phase ist eine Leitung, die vorzugsweise offene Enden besitzt, damit das Arbeitsfluid in flüssiger Phase in das obere Ende der Rückführleitung für die flüssige Phase und dann nach unten durch die Leitung fließen kann, um am unteren offenen Ende der Leitung in den Verdampfungsabschnitt des Wärmerohres auszutreten. Somit tritt die flüssige Phase des Arbeitsfluids, das entweder nach oben in den Kondensatorabschnitt 78 geschwemmt oder transportiert wird, so wie die flüssige Phase, die die Kondensation des verdampften Arbeitsfluids in dem Kondensatorabschnitt bildet, in das offene Ende der Rückführleitung 80 für die flüssige Phase ein und fließt durch die Schwerkraft nach unten zu dem Verdampfungsabschnitt, wo zusätzliche thermische Energie, die durch die Wände des Verdampfungsabschnittes passiert, die Verdampfung eines Teils des Arbeitsfluids verursacht, wobei der verdampfte Teil nach oben zu dem Kondensatorabschnitt 78 in den Raum, der die Außenseite der Rückführungsleitung für die flüssige Phase umgibt, fließt.

Es wurde herausgefunden, daß die oben beschriebene Kombination von Wärmeleitung und Flußseparator durch zwei wesentlich unter-

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schiedliche Betriebsweisen in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel des Wärmerohrs zur Horizontalen charakterisiert ist. Diese beiden Betriebsweisen sind die Verdampfungs-yKondensationsweise und die "Blasen"-Weise, bei der lange Dampfblasen/Flüssigkeitsansammlungen von dem Verdampferabschnitt in den Kondensatorabschnitt verschieben. Dies vermindert den Dampftransport, da die Geschwindigkeit der Blasen wesentlich geringer als der des reinen DampfStroms ist. Auf der anderen Seite wird der Transport von Flüssigkeit stark vergrößert. Da ein begrenzter Temperaturabfall entlang des Rohres existiert, tritt ein großer Zuwachs der wahrnehmbaren transportierten Wärme zur Kompensierung des Abnehmens in der Übertragung von latenter Wärme, die mit dem verringerten Dampftransport zusammenhängt, auf. Für Neigungswinkel bis etwa 35 arbeitet die Wärmerohr-Flußseparatorkombination in der Verdampfungs-/Kondensationsweise, besitzt einen guten Wirkungsgrad und eine Kapazität, die um ein mehrfaches größer als die des Wärmerohrs ohne den Flußseparator ist. Bei höheren Neigungswinkeln steigt die Kapazität langsamer an. Für den hier beschriebenen Abgaswärmespeicher ist der Temperaturunterschied zwischen dem Abwärmegasstrom und der erwünschten Dampftemperatur gering, deshalb ist ein hoher Wirkungsgrad wünschenswert und ein Betrieb bei Neigungswinkeln bei oder unter 35° wird bevorzugt.

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Somit dürfte einleuchten, daß verdampfte Teile des Arbeitsfluids zusammen mit einigem Arbeitsfluid in flüssiger Phase nach oben in den Raum außerhalb der Rückführungsleitung für die flüssige Phase fließen, während nur Arbeitsfluid in flüssiger Phase nach unten durch die Rückführleitung für die flüssige Phase zurückfließt. Dieser unterschiedliche Zirkulationsverlauf wird dadurch erreicht, daß die Rückführleitung 80 für die flüssige Phase verwendet wird, die einen getrennten Flußweg bezüglich der äußeren rohrförmigen Umhüllung 70 bildet, wodurch thermisch die Wände der äußeren rohrförmigen Umhüllung 70 bezüglich des kondensierten Arbeitsfluids isoliert werden, das durch die Rückführleitung 80 für die flüssige Phase geführt wird. Die Rückführleitung für die flüssige Phase ist natürlich kein Druckteil· und kann aus jedem geeigneten Material, wie beispielsweise dünnwandige Rohre aus Kupfer, Aluminium, Stahl oder ähnlichem hergestellt werden. Die bevorzugte Länge der Rückführleitung 80 für die flüssige Phase iiegt bei etwa 65 bis 85 % der Innenlänge der äußeren rohrförmigen Umhüllung 70. In einigen Fällen, insbesondere bei höheren Neigungswinkeln, kann die Rückführleitung 80 für die flüssige Phase in dem Verdampferabschnitt etwas gekürzt werden und sich in dem Verdampferabschnitt für einen Abstand bis etwa 15 % der Länge des Verdampferabschnittes erstrecken.

Unter idealen Bedingungen würde der erhitzte Abgasstrom 2O durch eine saubere Quelle heißer Luft gebildet. Jedoch sollte

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bei praktischer Anwendung der vorliegenden Erfindung erwartet werden, daß der erhitzte Abgasstrom 20 aus Luft, Verbrennungsprodukten mit gerissenen Aschenpartikelchen und anderen Verunreinigungen zusammengesetzt ist. Deshalb muß die Wärmerohranordnung 16 periodisch gesäubert werden, um ein Verschmutzen der Wärmeübertragungsrippen 72 zu verhindern. Übliche Rußgebläse (nicht dargestellt) können für diesen Zweck verwendet werden. Zur Säuberung des Inneren des Dampfspeichertanks 14 kann eine der hemisphärischen Endabdeckungen 38 mit einer nicht dargestellten angebolzten Flanschzugangsplatte versehen werden, um ein schnelles Entfernen zum Reinigen und zur Inspektion der Kondensatoranordnung 78 zu ermöglichen.

Der Fluß des erhitzten Abgasstromes 20 durch die Konvektionswärmeübertragungskammer 12 wird durch eine Stirnseitendämpferanordnung 82, eine Nebenschlußdämpferanordnung 84 und eine Umgebungsluftdämpferanordnung 86 geregelt. Der Stirndämpfer und der Nebenschlußdämpfer sind im wesentlichen im Aufbau identisch und besitzen eine Anzahl einstellbarer Schaufeln oder Flügel 88, die im wesentlichen horizontal innerhalb der Konvektionswärmeübergangskammer 12 angeordnet sind. Der Stirnseitendämpfer 82 erstreckt sich unter den Verdampfungsabschnitt 76 der Heizrohranordnung 16 und blockiert, wenn er vollständig geschlossen ist, den Luftdurchfluß durch den Verdampfungsabschnitt. Eine Betätigung der Stirnseitendämpfer-

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anordnung 82 in die geschlossene Position ist in einer Notsituation erwünscht, die durch einen Alarm aufgrund eines niedrigen Wasserstandes oder eines hohen Druckes eintreten kann. Wenn dies auftritt, wird der Stirnseitendämpfer geschlossen und der Nebenschlußdämpfer vollständig geöffnet, um dadurch es dem erhitzten Gasstrom 20 zu ermöglichen, um den Verdampferabschnitt 76 und durch die Auslaßöffnung 22 zu fließen, ohne im wesentlichen Wärme mit dem Verdampferabschnitt auszutauschen. Die Flügel 88 dienen auch zur Verstärkung des Wärmeübergangs durch Erzeugen von Turbulenzen in dem Strom 20 erwärmten Gases durch den Verdampferabschnitt

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung ist der Umgebungsluftdämpfer 86 vorgesehen, um den Durchfluß der Umgebungsluft, wie er durch den Pfeil 90 in Fig. 1 dargestellt ist, in die Konvektionswärmeübertragungskammer 12 zuzulassen, wenn es erwünscht ist, die Temperatur des eintretenden erwärmten Abgases 20 zu verringern und ebenso den Mengendurchfluß durch den Verdampfungsabschnitt 76 zu erhöhen.

Es wird jetzt Bezug auf Fig. 5 genommen, in der das Abwärmewiedergewinnungssystem 10 in einer Anordnung eines Gas/Wasser-Wärmeaustauschs mit einer Regeneration des ausströmenden Abgasflusses nach einem Wärmeaustausch dargestellt ist. Diese An-

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Ordnung wird typischerweise verwendet, wenn der eintretende erwärmte Abgasfluß 2O eine Temperatur über dem effektiven Betriebsbereich der Wärmerohranordnung 16 besitzt. Die Temperatur wird reduziert und der Mengendurchfluß vergrößert, indem ein Teil des erwärmten Abgasstroms 20 nach dem Durchlaufen durch die Konvektionswärmeübergangskammer 12 zurückgeführt wird. Ein Teil 92 des ausgeströmten erwärmten Abgasstromes 20 wird durch eine Regenerationsleitung 94 geführt, die in einer Fluidverbindung mit der Auslaßöffnung 22 steht. Der Teil 92 des Abgasstroms 20 wird durch einen angetriebenen Umwälzlüfter 96 durch die Regenerationsleitung 94 geführt, die mit ihrem anderen Ende in Fluidverbindung mit der Einlaßöffnung 18 steht. Der Anteil 92 wird vorzugsweise mit dem eintretenden Fluß 20 in einer Mischkammer 95 gemischt, so daß die Temperatur des eintretenden Flusses 2O auf eine Betriebstemperatur reduziert wird, die mit dem Betriebsbereich des Arbeitsfluid verträglich ist. Die Größe des Anteils 92 des Abgasstroms, der zurückgeführt wird, kann durch ein Einstellen der Geschwindigkeit des Gebläses 96 gesteuert werden. Der durch diese regenerative Anordnung erzielte Vorteil liegt darin, daß der Mengendurchfluß des Abgases, der durch den Verdampfungsabschnitt 76 läuft, vergrößert wird, während die Temperatur auf einen Wert abgesenkt werden kann, der dem optimalen Betrieb des Arbeitsfluids, das für das System ausgewählt ist, entspricht.

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In einer wichtigen Anwendung des Wärmewiedergewinnungssystems nach der vorliegenden Erfindung wird überhitzter Dampf erzeugt, indem die Auslaßöffnung 22 einer ersten Konvektionswärmeübertragungskammer, bezeichnet mit 12U, deren relative Stellung stromaufwärts liegt, mit der Einlaßöffnung 18 einer zweiten Konvektionswärmeübertragungskammer 12D, deren Relativstellung stromabwärts ist, verbunden wird. Die erste und die zweite Konvektionswärmeübertragungskammer 12U, 12D sind in Reihenfluidverbindung miteinander verbunden, wodurch der erhitzte Abgasstrom 22 zuerst über den Verdampfungsabschnitt 76 der stromaufwärts liegenden Konvektionswärmeübertragungskammer 12U und dann über den Verdampfungsabschnitt 76 der stromabwärts liegenden Konvektionswärmeübertragungskammer 12D läuft, woraufhin er durch die Auslaßöffnung 22 geführt wird, um in die Atmosphäre entladen zu werden. Gemäß dieser Anordnung wird ein beträchtlicher Wärmebetrag in das Verdampfungssystem 76 in der stromaufwärts liegenden Konvektionswärmekammer 12U übertragen, beispielsweise bei Temperaturen von 810 K (1ΌΟΟ F) und darüber zur Erzeugung von überhitztem Dampf, und danach wird Wärme bei wesentlich reduzierter Temperatur, beispielsweise im Bereich von 640 K (700 P) oder niedriger, in der stromabwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer 12D zur Erzeugung gesättigten Dampfes übertragen. Das Arbeitsfluid in jedem der Verdampfungsabschnitte wird natürlich derart ausgesucht, daß es mit den zu erwartenden Betriebstemperaturbereichen verträglich

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ist. Gesättigter Dampf wird durch das Dampfabführrohr 42 in den Speichertank 14U des stromaufwärtigen Wärmegewinnungssystems 10 geführt. Dort fließt der gesättigte Dampf über einen Kondensatorabschnitt 78U, der Rippen 72 zur Verbesserung der Wärmeübertragung besitzen kann, wodurch sehr stark erhitzter oder überhitzter Dampf erzeugt wird, der durch ein Dampfentladungsrohr 98 für den stark erhitzten Dampf geführt wird.

Es kann jedes bekannte Arbeitsfluid, das sowohl in flüssiger als auch in Dampfphase unter den Betriebsbedingungen und Drücken vorliegt, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Somit können Arbeitsfluide wie Wasser, aliphatische Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, halogensubstituierte Materialien wie zum Beispiel Freon, Kühlmittel und ähnliches verwendet werden. Speziell bevorzugte Arbeitsfluide sind Freonstoffe, beispielsweise das Kühlmittel R12, Benzol, Toluen und ähnliches.

Es wird bevorzugt, daß die Wärmerohre 68 der Wärmerohranordnung 16 im wesentlichen gerade rohrförmige Leitungen besitzen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmerohre 68 in der Wärmerohranordnung 16 parallel zueinander angeordnet, und die Anordnung ist derart ausgerichtet, daß die Achse jedes Wärmerohres um einen Winkel θ von der Horizontalen geneigt ist, um den Kondensatorabschnitt 78 über dem Verdampfungsabschnitt

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(siehe Figur 2) anzuordnen. Es wurde herausgefunden, daß der bevorzugte Bereich für den Neigungswinkel zwischen etwa 15 und 35° zur Horizontalen liegt.

Aus der vorangegangenen Diskussion ist deutlich, daß die vorliegende Erfindung ein neuartiges Abwärmegewinnungssystem mit wesentlich verbesserten Betriebscharakteristiken gegenüber bisherigen Systemen beschreibt. Die modulare Anordnung der Wärmerohranordnung 16 erlaubt es, daß jeder Verdampfungsabschnitt 24A, 24B und 24C eine unterschiedliche Anzahl von Rippen 72 enthält. Da die Temperatur des erwärmten Abgasstroms 20 abnimmt, wenn es durch jeden Modulverdampfungsabschnitt des Verdampfers 76 läuft, braucht der erste Verdampfungsabschnitt 24A weniger Rippen 72 als der letzte Verdampfungsabschnitt 24C, damit die Wärmerohre jedes Verdampfungsabschnittes im wesentlichen dieselbe Wärmemenge übertragen. Diese Freiheit in der Wahl der Rippenflächen für den modulartigen Verdampfungsabschnitt ermöglicht es, daß viele Verdampfungsabschnitte derart gestapelt werden, so daß die von dem Abgasstrom übertragene Wärme maximiert werden kann.

Ein weiterer wichtiger Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, daß sich die Wärmerohre frei in den Speichertank 14 erstrecken und in die Verteilerplatte 66 abgedichtet sind, die eine freie Ausdehnung ohne mechanische Beanspruchung er-

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möglicht. Weiterhin können die Außenseiten der Wärmerohre in dem Kondensatorabschnitt mit Rillen versehen oder gerändelt werden, um eine Wärmeübertragungsfläche zu liefern, die das Blasensieden des Wassers an der Wärmeübertragungsfläche verbessert. Da sich die Wärmeleitungen frei erstrecken, können auch Rippen an den Endteilen des Kondensatorabschnittes angebracht werden, um die in der Figur 6 dargestellte überhitzung zu erreichen. Da die Rohre nicht in einer Sammelleitung enden, ist es möglich, die Wärmeübertragungsflächen in regulären Wartungsintervallen zu reinigen, um die Wärmeübertragungsfläche in einem ausgezeichneten Zustand zu halten.

Das Volumen am Boden des Speichertanks 14 dient üblicherweise als "Schlammtrommel"-Volumen, und zusätzliche Spülreinigungslöcher können an verschiedenen Stellen in dem Tank vorgesehen werden, um ein Reinigen ohne vollständiges Auseinandernehmen zu ermöglichen. Eine der Enddeckplatten kann gegen das Ende des Speichertanks 14 durch einen angebolzten Flanschaufbau abgedichtet werden, der ein schnelles Entfernen zum Reinigen und zur Inspektion ermöglicht.

Für bestimmte Anwendungen kann der Speichertank 14 für andere Zwecke als zur Dampfproduktion verwendet werden. Beispielsweise kann das System zur Verdampfung eines brennbaren Arbeitsfluids wie zum Beispiel Toluen für ein Abwärme-Rankine-Zyklusantriebs-

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system verwendet werden, das eine vollständige Isolation von dem erwärmten Gasstrom erfordert. Sonst würde eine extrem gefährliche Möglichkeit des Ausströmens des brennbaren Materials in den heißen Gasstrom für den Fall, daß ein Leck in dem System auftritt, bestehen. Eine vollständige Isolation ist durch die Vereinigung der Sammelplatte 66 mit jedem Wärmerohr 68 vorgesehen, die an ihren Endabschnitten abgeschlossen sind und die bei verhältnismäßig niedrigem Druck arbeiten.

Der Aufbau und die Betriebsweise des Wärmerohrspeichers des vorliegenden Abwärraegewinnungssystems ist analog zu einer "single ended fire tube"-Speicheranordnung. Es betrifft den Vorteil eines einfachen Aufbaus, stabiler Betriebsweise, einfachen Zugangs zur Reinigung und die Möglichkeit für Abänderungen in der Anforderung. Zusätzlich existiert eine vollständige Isolierung des einen Fluidstroms von dem anderen. Der Wirkungsgrad eines Abwärmewiedergewinnungssystems als ein Dampfspeicher ist verhältnismäßig hoch. Etwa 8O bis 85 % der nutzbaren Wärme von 81O⁰K (1OOO°F) kann verwendet werden, um einen Dampf von absolutem Druck von O,69O MPa (1OO psia) zu erzeugen. Mit anderen Worten kann der 81O⁰K (1OOO°F) Gasstrom auf etwa 500°K (450 F) in dieser Dampfspeicheranordnung abgekühlt werden.

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Obwohl in Einzelheiten eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, dürfte einleuchten, daß verschiedene Abänderungen, Ergänzungen und Abweichungen vorgenommen werden können, ohne daß von dem Gedanken und Rahmen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen zum Ausdruck kommen, abgegangen wird.

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Claims

UEXKULL «i STOLBErtG PATENTANWÄLTE

BESELERSTr=ASSE 4
2000 HAMBURG 52

DR. J.-D. FRHR. von UEXKULL

DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Q-dot Corporation (Prio: 9. November 1977

US 849 987 - 14730) Regal Row

Dallas, Texas/V.St.A. Hamburg, 2. Mai 1978

Abwärmespeicher

Ansprüche

Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einem fließenden Strom erwärmten Gases auf ein Flüssigkeitsvolumen, gekennzeichnet durch:

ein Gehäuse (12) mit eine Konvektionswärmeübertragungskammer bildenden Teilen, einer in Fluidverbindung mit der Kammer zur Aufnahme eines fließenden Stroms (20) erwärmten Gases angeordneten Einlaßöffnung (18) und einer in Fluidverbindung mit der Kammer angeordneten Auslaßöffnung (22) zur Abgabe des Gasstromes aus der Kammer;

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ein eine Flüssigkeitsmenge enthaltendes Gefäß (14); und

eine das innere des Gehäuses (12) mit dem Inneren des Kessels (14) thermisch verbindende Wärmeübertragungsvorrichtung (16) mit einem in der Konvektionswärmeübertragungskammer enthaltenen Verdampfungsabschnitt (76), der in Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Strom (20) von durch die Kammer fließendem, erwärmtem Gas angeordnet ist, einem in den Kessel (14) enthaltenen Kondensatorabschnitt (78), der in Wärmeübertragungsbeziehung mit der Flüssigkeitsmenge angeordnet ist, einer die Verdampfer- und Kondensatorabschnitte in geschlossenem Fluidkreis verbindende Leitungsvorrichtung (68) , die einen Dampfphasenflußweg (70) vom Verdampferabschnitt zum Kondensator und einen Flüssigphasenflußweg (80) vom Kondensatorabschnitt zum Verdampfer bildet, und einer in der Leitungsvorrichtung angeordneten Arbeitsfluidmenge, die durch einen thermodynamisehen Zyklus charakterisiert ist, in dem sie Dampfphase annimmt, wenn sie von dem Verdampfer zu dem Kondensator durch den Dampfphasenflußweg läuft, und in dem sie die Flüssigphase annimmt, wenn sie von dem Verdampfer durch den Flüssigphasenflußweg zurückkehrt in Ansprache auf die Wärmeübertragung von dem erwärmten Gasstrom zu dem Flüssigphasenarbeitsfluid, bzw. in Ansprache auf die Wärmeübertragung von

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Mehrzahl von Wärmeleitungen (68) aufweist, die bezüglich der Horizontalen in einem Winkel (Θ) geneigt sind, wobei jede Wärmeleitung einen ersten abgedichteten Verdampferendabschnitt (24), der in der Konvektionswärmeübertragungskammer angeordnet ist, und einen zweiten abgedichteten Kondensatorendabschnitt (74), der in dem Kessel angeordnet ist, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmerohr (68) bezüglich der Horizontalen um einen Winkel (Θ) von etwa 15° bis etwa 35° geneigt ist.
4. Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen Speichertank (16) mit einer Wassereinlaßöffnung (56) , einer Dampfabgabeöffnung (42) und einer einen Seitenwandabschnitt des Speichertanks bildenden Verteilerplatte (66);

eine Konvektionswärmeübertragungskammer mit einer Einlaßöffnung (18) zur Aufnahme eines fließenden Stroms (20) erwärmten Gases und einer Auslaßöffnung (22) zur Abgabe des Gasstroms; und

eine Gruppe von den Speichertank mit der Wärmeübertragungskammer verbindenden Wärmerohren (68) jeweils mit einem in der Wärmeübertragungskammer (12) in dem Flußweg (20)

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des erhitzten Gasstromes angeordneten Verdampferabschnitt (76) und einem in dem Inneren des Speichertanks (14) angeordneten Kondensatorabschnitt (78), wobei jedes Wärmerohr einen ersten Endabschnitt (24) besitzt, der in der Wärmeübertragungskammer (12) endet, einen zweiten abgedichteten Endabschnitt (74), der in dem Speichertank (14) endet, und einen Mittelabschnitt, der durch die Verteilerplatte (66) ragt, und jedes Wärmerohr (68) ein Arbeitsfluid mit einer Dampfphase und einer Flüssigphase bei den Betriebstemperaturen jeweils des Verdampfer- bzw. Kondensatorabschnxtts enthält.
5. Kombination nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Wärmerohren (68) eine Mehrzahl von Untergruppen von Wärmerohren aufweist, die in einer Vielzahl von Moduleinheiten in vertikal beabstandeter Beziehung zueinander zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen angeordnet sind, und Wärmeaustauschrippen (72) in thermischem Kontakt mit den Wärmerohren (68) in jeder Moduleinheit angeordnet sind, wobei die Anzahl der einer gegebenen Moduleinheit zugeordneten Wärmerippen größer als die Anzahl der der darunter liegenden Moduleinheit zugeordneten Wärmerippen ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektionswärmeübertragungskairuner (12) durch ein Gehäuse (11) gebildet wird, das in Verbindung mit den Verdampferabschnitten (76) der Wärmerohre (16) einen relativ offenen Nebenschlußflußweg um die Verdampferabschnitte und einen Hauptflußweg bildet, durch den der Strom erwärmten Gases in thermischem Kontakt mit den Verdampferabschnitten fließt, und eine Nebenschlußdämpfervorrichtung (84), die in dem Nebenschlußflußweg zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen angeordnet ist, und eine Stirnseitendämpferanordnung (82), die in dem Hauptflußweg zwischen der Einlaßöffnung und den Verdampferabschnitten der Wärmerohre liegt, vorgesehen sind, wobei jede Dämpferanordnung eine Mehrzahl von schwenkbar an dem Gehäuse zur wahlweisen Öffnung oder Schließung eines jeden Flußwegs befestigte Flügeln (88) enthält.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Regenerationsleitung (94) mit einem in Fluidverbindung mit der Auslaßöffnung (22) der Konvektionskammer (11) stehenden Einlaßöffnung, eine in Fluidverbindung mit der Einlaßöffnung (18) der Konvektionskammer stehenden Auslaßöffnung und einem kraftgetriebenen Umwälzlüfter

(96) in der Regenerationsleitung zur Rezirkulierung eines Teilflusses (92) des von der Konvektionswärmeübertragungskammer abgegebenen erwärmten Gasstromes.

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8. Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einem fließenden Strom erwärmten Gases zur Erzeugung von überhitztem Dampf, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite, in Reihenfluidverbindung miteinander geschaltete Konvektionswärmeübertragungskammer (78U, 78D);

ein der stromabwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer zugehöriger Speichertank (14D) für gesättigten Dampf mit einer Wassereinlaßöffnung (56) , einer Dampfablaßöffnung (42) und einer Verteilerplatte (66) , die eine Seitenwand zur Aufnahme von Wärmerohren (16) zur Erzeugung gesättigten Dampfes bildet;

ein der stromaufwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer zugeordneter Speichertank (14U) für überhitzten Dampf mit einer Einlaßöffnung für gesättigten Dampf, einer Abgabeöffnung (98) für überhitzten Dampf und einer Verteilerplatte (66) zur Aufnahme von Wärmerohren zur Erzeugung überhitzten Dampfes;

und eine erste Gruppe von den Speichertank (14D) für gesättigten Dampf mit der stromabwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer (12D) verbindenden Wärmerohren, wobei jedes Wärmerohr der ersten Gruppe einen Verdarapferabschnitt besitzt, der in der stromabwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer in dem Flußweg des erhitzten Gasstromes angeordnet ist und einen Kondensatorabschnitt

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aufweist, der in dem Inneren des Speichertanks für den gesättigten Dampf angeordnet ist, jedes Wärmerohr der ersten Gruppe einen ersten abgedichteten Endabschnitt besitzt, der in der stromabwärtigen Wärmeübertragungskammer endet, einen zweiten abgedichteten Endabschnitt, der in dem Speichertank für den gesättigten Dampf endet, und einen Mittelabschnitt, der durch die zugehörige Verteilerplatte ragt, und außerdem jedes Wärmerohr ein Arbeitsfluid enthält, das eine Dampfphase und eine Flüssigphase bei Betriebstemperaturen des stromabwärtigen Verdampferabschnitts bzw. des Kondensatorabschnitts für gesättigten Dampf besitzt;

eine zweite Gruppe von den Speichertank (14U) für überhitzten Dampf mit der stromaufwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer (12U) verbindenden Wärmerohren, von denen jedes einen Verdampferabschnitt besitzt, der in der stromaufwärtigen Konvektionswärmeübertragungskammer in dem Flußweg des erhitzten Gasstromes angeordnet ist und einen Kondensatorabschnitt aufweist, der in dem Inneren des Speichertanks für überhitzten Dampf liegt, wobei jedes Wärmerohr der zweiten Gruppe einen ersten abgedichteten Endabschnitt besitzt, der in der stromaufwärtigen Wärmeübertragungskammer endet, einen zweiten abgedichteten Endabschnitt, der in dem Speichertank für überhitzten Dampf endet, und einen Mittelabschnitt, der

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durch die zugehörige Verteilerplatte ragt, und jedes Wärmerohr ein Arbeitsfluid mit einer Dampfphase und einer Flüssigphase bei den Betriebstemperaturen des stromaufwärts liegenden Verdampferabschnitts, bzw. des Kondensatorabschnitts für überhitzten Dampf enthält; und

die Verbindung der Entladeöffnung für gesättigten Dampf des Speichertanks für gesättigten Dampf mit der Einlaßöffnung für gesättigten Dampf des Speichertanks für überhitzten Dampf zur Ausgabe von gesättigtem Dampf über den Kondensatorabschnitt der stromaufwärts liegenden Wärmerohre.
9. Vorrichtung, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen rechteckiges Gehäuse (11), das eine Konvektionswärmeübertragungskammer (12) mit einer Einlaßöffnung (18) bildet, die von einer unteren Seitenwand des Gehäuses hereinragt zur Aufnahme eines fließenden Stroms (20) von erwärmtem Gas in den untersten Abschnitt der Kammer, und eine Auslaßöffnung (22) , die von einem oberen Abschnitt des Gehäuses hervorragt, um den Gasstrom von dem oberen Teil der Kammer auszugeben;

einen im wesentlichen zylindrischen Speichertank (14), der über der Einlaßöffnung (18) und dicht neben dem Gehäuse (11) angeordnet ist, wobei der Speichertank mit

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seiner Zylinderachse im wesentlichen rechtwinklig zu der Stromrichtung des erwärmten Gases, das durch die Einlaßöffnung fließt, ausgerichtet ist und eine Wassereinlaßöffnung (56), eine Dampfauslaßöffnung (42) , eine im wesentlichen rechtwinklige Verteilerplattenöffnung, die in der zylindrischen Seitenwand neben dem Gehäuse ausgebildet ist und eine im wesentlichen rechtwinklige Verteilerplatte (66) aufweist, die in dichtendem Eingriff mit den Seiten des Abschnitts der zylindrischen Seitenwand, die die Verteilerplattenöffnung bildet, in Eingriff steht, wobei die Verteilerplatte eine Vielzahl von Wärmerohröffnungen besitzt, die sich durch die Platte zur Aufnahme einer Vielzahl von Wärmeleitungen erstrecken; und

eine Vielzahl von Wärmeleitungen, die thermisch das Innere des Speichertanks mit der Konvektionswärmeübertragungskammer verbinden, wobei jedes Wärmeleitrohr in einem schrägen Winkel (Θ) bezüglich der Horizontalen geneigt ist und einen Verdampfungsabschnitt (76) in dem mittleren Teil der Konvektionswärmeaustauschkammer in dem Fluß des erwärmten Gasstromes und einen Kondensatorabschnitt (78) in dem Inneren des Speichertanks aufweist und jeweils einen ersten, abgedichteten Endabschnitt, der in der Wärmeübertragungskammer endet, einen zweiten abgedichteten Endabschnitt, der in dem Speichertank endet, und einen mittleren Abschnitt, der durch die Verteiler-

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platte ragt und in dichtendem Eingriff mit den Teilen der Verteilerplatte steht, die die Wärmerohröffnungen bilden, besitzt, ein Fluidflußweg den Verdampfer und den Kondensatorabschnitt verbindet, um den Fluß von Flüssigkeit und Dampf zwischen den Abschnitten zu ermöglichen und eine Arbeitsfluidmenge in jedem Wärmerohr untergebracht ist mit einer Dampfphase und einer Flüssigphase bei den Betriebstemperaturen des Verdampfers bzw. Kondensators.
10. Verfahren zur übertragung von Wärme von einem fließenden Strom erhitzten Gases auf eine Flüssigkeitsmenge, gekennzeichnet durch die Schritte:

Abziehen der Wärme von dem Strom erwärmten Gases durch die Bewirkung einer Wärmeüberleitung von dem erhitzten Gas auf eine Arbeitsfluidmenge, die in dem Verdampferabschnitt eines Wärmerohres, das in dem Flußweg des erwärmten Gasstromes angeordnet ist, enthalten ist; und

das Übertragen der Wärme von dem Arbeitsfluid auf die Flüssigkeitsmenge durch die Bewirkung einer Zirkulation des Arbeitsfluids von dem Verdampferabschnitt zu einem Kondensatorabschnitt des Wärmerohrs, der in Wärmeüberleitungsbeziehung zu der Flüssigkeitsmenge angeordnet ist.

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11. Verfahren zum Betrieb eines Wärmerohres mit einem Verdampferabschnitt, einem Kondensatorabschnitt und einem Arbeitsfluid, das durch das Wärmerohr in einem geschlossenen Zyklus zwischen dem Verdampferabschnitt und dem Kondensatorabschnitt in Ansprache auf eine Energiezufuhr zu bzw. von dem Verdampfer und Kondensatorabschnitt geführt wird, gekennzeichnet durch

das Einschließen einer Arbeitsfluidmenge in dem Wärmerohr, die ein Teilvolumen kleiner als das Innenvolumen des Wärmerohres besitzt;

das Einhalten eines Neigungswinkels des Wärmeleitungsrohres bezüglich der Horizontalen; das übertragen von Wärme auf das Arbeitsfluid in dem Wärmerohr durch Ausgabe eines Stroms relativ hochtemperierten Fluids zu dem Verdampferabschnitt; und das Übertragen von Wärme von dem Arbeitsfluid in dem Wärmerohr dadurch, daß der Kondensatorabschnitt einer relativ niedertemperierten Fluidmenge ausgesetzt wird.
12. Verfahren zur Dampferzeugung durch die Wiedergewinnung

von Wärmeenergie aus dem Strom von erwärmtem Abgas, gekennzeichnet durch die Schritte:

Abgabe des Stroms erhitzten Gases über die Verdampferabschnitte einer Anordnung von Wärmerohren, von denen

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jedes einen in einer Konvektionswärmeaustauschkammer angeordneten Verdampferabschnitt besitzt, einen Kondensatorabschnitt, der in einem Dampfkessel angeordnet ist, und ein Volumen von Arbeitsfluid, das durch das Wärmerohr in geschlossenem Zyklus zwischen dem Verdampferabschnitt und dem Kondensatorabschnitt in Ansprache auf einen Energieübergang zu, bzw. von den Verdampfer- und Kondensatorabschnitten geführt wird, Aussetzen der Kondensatorabschnitte der Anordnung einer in dem Druckkessel angeordneten Wassermenge in engem Kontakt; und

die Abgabe von Dampf aus dem Kessel, wenn er erzeugt worden ist, und das Ersetzen des in Dampf umgesetzten Wassers durch das Entladen von Zusatzwasser in den Kessel.
13. Verfahren zur Erzeugung von Dampf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmerohr in der Anordnung in einem Neigungswinkel bezüglich der Horizontalen gehalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Wärmerohren eine Vielzahl von Wärmeabschnitten besitzt, die in Abstand zueinander bezüglich der Richtung des Fluidflusses innerhalb der Konvektionswärmeaustauschkammer angeordnet sind, und eine entsprechende

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Anzahl von Kondensatorabschnitten gleichermaßen beabstandet in dem Dampfkessel angeordnet ist, wobei der Strom des erhitzten Abgases durch die Konvektionswärmeaustauschkammer derart abgegeben wird, daß der erwärmte Abgasstrom in thermischer Berührung mit den Wärmeleitungen des untersten Verdampfungsabschnittes durchläuft, bevor er in thermischen Kontakt mit den Wärmerohren des obersten Verdampfungsabschnittes kommt, und das Zusatzwasser in den Dampfkessel in eine Richtung eingegeben wird, das die Zirkulation von Flüssigkeitskonvektionsströmen verbessert, die durch die Wärmeübertragung von den Wärmerohren in den Kondensatorabschnitten an die umgebende Wassermenge erzeugt werden, wodurch die Flüssigkeitskonvektionsströme in thermischen Kontakt mit den Wärmerohren des untersten Kondensatorabschnitts kommen, bevor sie in thermischen Kontakt mit den Wärmerohren des oberen Kondensatorabschnittes treten.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektionswärmeaustauschkammer eine Einlaßöffnung besitzt, die in Fluidverbindung mit der Kammer zur Aufnahme des Flusses von erwärmtem Abgas steht, und eine Auslaßöffnung in Fluidverbindung mit der Kammer zur Abgabe des erhitzten Abgasstromes steht, nachdem es den Verdampferabschnitt passiert hatte, wobei ein Teilfluß des erwärm-

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ten Gasstromes, der von der Auslaßöffnung abgegeben wird, durch die Einlaßöffnung in einer regenerativen Betriebsweise zirkuliert wird, wodurch der Massenfluß des erhitzten Abgases, das durch den Verdampferabschnitt läuft, durch den Teilfluß erhöht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang von dem erwärmten Abgasstrom zu dem Verdampferabschnitt der Wärmerohranordnung durch eine Abgabe des Stromes von erwärmtem Abgas über Wärmeübertragungsrippen, die an den Verdampferabschnitten der Wärmerohre angebracht sind, verbessert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Wärmerohren eine Mehrzahl von Verdampferabschnitten aufweist, die beabstandet zueinander bezüglich der Richtung des Fluidflusses innerhalb der Konvektionswärmeaustauschkammer angeordnet sind, der Betrag der übertragenen Wärme im untersten Verdampferabschnitt bezüglich des Betrages übertragener Wärme im mittleren und obersten Verdampferabschnitt durch Entladen des Stromes von erwärmtem Abgas durch die Konvektionswärmeaustauschkammer derart angeglichen wird, daß der erwärmte Abgasstrom in thermischen Kontakt mit den Wärmerohren des untersten Verdampferabschnittes kommt, bevor er in

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thermischen Kontakt mit den Wärmerohren des obersten Verdampferabschnittes kommt und der Strom erwärmten Abgases über eine ständig wachsende Anzahl von Wärmeübergangsrippeh geführt wird, die an den Wärmerohren jedes Verdampf erabschnittes befestigt sind, wenn er von dem untersten Verdampferabschnitt zu dem obersten Verdampferabschnitt fließt.
18. Verfahren zur Erzeugung überhitzten Dampfes durch die Wiedergewinnung von Wärmeenergie aus dem Strom eines erwärmten Abgases, gekennzeichnet durch die Schritte:

Abgabe des Stroms von erwärmtem Abgas durch eine stromaufwärts und eine stromabwärts liegende Konvektionswärmeübertragungskammer, die in Fluidreihenverbindungen miteinander geschaltet sind;

Erzeugen eines gesättigten Dampfes in einem ersten Speichertank durch übertragung von Wärmeenergie von dem erwärmten Abgasstrom an ein in dem ersten Speichertank enthaltenes Wasservolumen durch eine erste Anordnung von Wärmerohren mit jeweils einem Verdampferabschnitt, der in dem Flußweg, der durch die stromabwärts liegende Konvektionswärmeübergangskammer begrenzt wird, liegt, einem Kondensatorabschnitt, der in Wärmeübergangsbeziehung mit dem Wasservolumen in dem ersten Speichertank angeordnet ist, und einem Volumen von Arbeitsfluid, das durch

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jedes Wärmerohr der ersten Anordnung in geschlossenem Kreislauf zwischen den stromabwärts liegenden Verdampferund Kondensatorabschnitten in Ansprache auf einem Wärmeenergieübergang zu bzw. von den stromabwärtigen Verdampferund Kondensatorabschnitten geführt wird; Abgabe von durch den ersten Speichertank erzeugten gesättigten Dampf in einen zweiten Speichertank; und Erzeugung von überhitztem Dampf in dem zweiten Speichertank durch übertragung von Wärmeenergie von dem erhitzten Abgasstrom zu dem in den zweiten Speichertank ausgegebenen gesättigten Dampf durch eine zweite Anordnung von Wärmerohren mit jeweils einem in dem Flußweg, der durch die stromaufwärts liegende Konvektionswärmeübergangskammer begrenzt wird, liegenden Verdampferabschnitt, einem in Wärmeübergangsbeziehung mit dem gesättigten Dampf, der in den zweiten Speichertank ausgegeben wurde, liegenden Kondensatorabschnitt und einem Volumen von Arbeitsfluid, das durch jedes Wärmerohr der zweiten Anordnung von Wärmerohren in geschlossenem Kreislauf zwischen den stromaufwärts liegenden Verdampfer- und Kondensatorabschnitten in Ansprache auf einen Wärmeübergang zu bzw. von den aufwärtigen Verdampfer- und Kondensatorabschnitten geführt wird.

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