DE2942126C2 - Wärmeleitelemente für regenerativen Wärmeaustausch - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Wärmeleitelemente für regenerativen Wärmeaustausch nach Art von Wärmerohren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung geht aus von den bekannten Wärmerohren (z. B. DE-GM 79 13 786), die als Elemente für sehr intensiven Wärmeaustausch bekannt sind.

Diese Wärmerohre übertragen die Wärme aus dem heißen Bereich in den kalten Bereich mittels indirektem Medium, z. B. Wasser, welches am heißen Ende des Rohres verdampft, und kondensiert an seinem kalten Ende.

Die Wärmerohre sind unbewegte, starre Körper, die die Wärme aus einem wärmeren in einen kälteren Raum transportieren.

In vielen technischen Fällen, besonders bei Wärmeaustauschern zwischen Gasen mit hohem Staubgehalt oder verunreinigten Flüssigkeiten, bilden sich an der Rohroberfläche der bekannten Wärmerohre Verkrustungen, die nur sehr schwer zu entfernen sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, wärmeübertragende Elemente zu schaffen, die einen problemlosen und intensiven Wärmeaustausch ermöglichen und deren Reinigung ohne großen apparativen Aufwand erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmeleitelemente als starre Hohlkugeln oder als hohler Vielflächner ausgebildet sind, und daß sie eine elastische Außenhülle aufweisen mit im Innern angeordneten Versteifungselementen.

Die erfindungsgemäßen Wärmeleitelemente können als Wirbelschicht und/oder als statische Schicht Verwendung finden, z. B. in einem Fließbettwärmetauscher.

Im Unterschied zu den bekannten Wärmerohren sollen die erfindungsgemäßen Wärmeleitelemente während der Arbeit in Bewegung sein, d. h. sie sind zyklisch transportierbar zwischen den heißen und den kalten eo Bereichen.

Im Heißrauni erfolgt die Wärmespeicherung in den Elementen durch Erhitzung der Wand und der Flüssigkeit (innen), aber auch durch Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit.

Nach dem Transport der Elemente in den Kaltraum erfolgt die Wärmeabgabe durch Abkühlung der Wand, Flüssigkeit und Kondensation des Dampfes.

Die bekannten Wärmeleitelemente nach dem Wärmerohrprinzip arbeiten meist so, daß Verdampfung und Kondensation innerhalb eines solchen Elementes gleichzeitig, aber örtlich getrennt, ablaufen. Diese bekannten Wärmerohre befinden sich also jederzeit teilweise im heißen und teilweise im kalten Bereich eines Wärmetauschers. Dabei sind unterschiedliche Ausführungsformen, z. B. auch vielflächige Elemente, vorgeschlagen worden (DE-OS 15 01 526).

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Wärmeleitelemente findet dagegen zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb eines Elementes entweder nur die Verdampfung oder die Kondensation statt, je nachdem, ob sich das Wärmeleitelement gerade im heißen oder im kalten Bereich eines Wärmetauschers befindet

Ein System, in dem in ähnlicher Weise die Energie im Hohlkörper gespeichert und mit diesen Körpern transportiert wird, beschreibt die US-PS 28 46 421. Die Aufgabenstellung der US-PS 28 46421 ist die Kühlung eines chemischen Reaktors, in dem eine exotherme Reaktion, insbesondere eine Polymerisation, stattfindet Die Hohlkörper zirkulieren dabei zwischen dem heißen, flüssigen Medium im Reaktor und einer Kühlflüssigkeit; zur Wärmespeicherung dient die Schmelzenthalpie der Hohlkörperfüllung.

Demgegenüber werden durch die Erfindung selbstreinigende Wärmeleitelemente, insbesondere für zur Verschmutzung neigende, regenerative Gas-Gas-Wärmetauscher, geschaffen, wobei die Wärmeleitelemente mit einer elastischen Außenhülle versehen werden und zur Wärmespeicherung der Phasenübergang flüssig — dampfförmig benutzt wird.

Die mit dem zyklischen Transport zwischen heißen und kalten Bereichen einhergehende Verdampfung bzw. Kondensation führt zu erheblichen Druckunterschieden innerhalb der Wärmeleitelemente und damit abwechselnd zu einer Expansion bzw. Schrumpfung. Diese ständigen Dimensionsänderungen verhindern nahezu vollständig die Bildung fest haftender Ablagerungen oder Verkrustungen. Verstärkt wird die Selbstreinigung der erfindungsgemäßen Wärmeleitelemente darüber hinaus durch die beim Transport stattfindenden Zusammenstöße zwischen den Elementen untereinander bzw. zwischen den Elementen und den Wärmetauscherwandungen. Dieser Effekt wird in besonderem Maße bei der Anwendung der Wärmeleitelemente in einer Wirbelschicht genutzt.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Wärmeleitelement als Hohlkugel,

F i g. 2 das.Wärmeleitelement als Hohlkugel mit einer elastischen Außenhülle bei Verwendung bei niedriger Temperatur,

Fig.3 das Wärmeleitelement gem. Fig.2 bei Verwendung bei hoher Temperatur,

Fig.4, 5, 6 und 7 verschiedene Anordnungen des Wärmeleitelementes in einem Ljungström-Wärmetauscher,

Fig.8 die Verwendung der Wärmeleitelemente in einem Kolonnen-Wärmetauscher als Wirbelschicht,

Fig.9 die Anordnung der Elemente in einem Kolonnen-Wärmetauscher als statische Schicht.

Das Wärmeleitelement, wie es F i g. 1 zeigt, besteht aus der Hohlkugel 1 mit einer Wandung 2, in deren Innenraum Flüssigkeit 3 und Dampf 4, der aus der Flüssigkeit gebildet wird, vorhanden ist. Dabei kann die Flüssigkeit aus Wasser, Freon, Alkoholen od. dgl.

bestehen. Eine besondere Ausgestaltung des Wärmeleitelementes 1 zeigen die F i g. 2 und 3. Hierbei besteht die Wandung 2 aus einer elastischen Außenhülle 5 in Form von wärmebeständigem Gummi oder Kunststoff. Damit die einzelnen elastischen Wärmeleitelemonte, bei 5 mehreren Schichten der Wärmeleitelemente übereinander, sich nicht zusammendrücken, sind im Innern der kugelförmigen Wärmeleitelemente, wie sie die Fig.2 und 3 darstellen, Versteifungselemente 6 angeordnet Dabei legt sich die elastische Außenhülle 5 bei niedrigeren Temperaturen auf die Versteifungselemente 6 auf (F i g. 2), und bei hohen Temperaturen dehnt sie sich entsprechend aus (F i g. 3).

Die F i g. 4 bis 6 zeigen einen Rotor eines Ljungström-Wärriietauschers 7 mit senkrechter Achse 8. Nach Fig.4 befinden sich die Wärmeleitelemente 1 oberhalb konventioneller Speichennassen 9, nach F i g. 5 unterhalb. Die Fig.6 zeigt einen Ljungström-Wärmetauscher ohne konventionelle Speichennassen nur mit den Wärmeleitelementen 1, mit einem Kaltgaseintrr.t 10 und mit einem Heißgaseintritt 11. Je nach der Richtung, in der die Wärmeleitelemente 1 angeströmt werden, bildet sich eine statische Schicht oder eine Wirbelschicht Die Wirbelschicht bildet sich nur dann, wenn die Gasströmung von unten in den Wärmetauscher eingeführt wird. Wenn zum Beispiel die Achse 8 des Rotors des Wärmetauschers 7 waagerecht angeordnet ist (Fig.7), dabei die Wärmeleitelemente 1 als statische Schicht ausgebildet sind, erfolgt die Reinigung der Elemente durch Umwälzen im Sektorraum ohne zusätzlichen Energiebedarf für eine Abblasevorrichtung. Die F i g. 8 zeigt einen Kolonnen-Wärmetauscher mit einer Wirbelschicht, bei der das heiße Gas über den Heißgaseintritt 12 eingeführt wird, die Elemente 1 erwärmt und über einen Gasaustritt 13 die Kolonne wieder verläßt Das Kaltgas tritt über einen Kaltgaseintritt 14 ein und verläßt die Kolonne über einen Kaltgasaustritt 15. Die erhitzten Wärmeleitelemente sinken durch einen Kanal 16 nach unten in den unteren Teil der Kolonne und werden über ein nicht pneumatisches oder mechanisches Transportsystem 17 in den oberen Teil der Kolonne zurückgeführt

Die Fig.9 zeigt eine Wärmetausch-Kolonne mit statischer Schicht, bei der die erwärmten Wärmeleitelemente 1 mittels z. B. einer Zellenradschleuse 18 in den unteren Teil der Kolonne portionsweise gelangen, dort das Kaltgas erwärmen und über das Transportsystem 17 in den oberen Teil der Kolonne zurückgeführt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprache:

1. Wärmeleitelemente für regenerativen Wärmeaustausch nach Art von Wärmerohren, in deren geschlossenem Innenraum das Wärmetauschmedium kondensiert und verdampft, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitelemente (.<) als starre Hohlkugeln oder als hohle Vielflächner ausgebildet sind, und daß sie eine elastische Außenhülle (5) aufweisen mit im Innern angeordneten Versteifungselementen (6).

2. Wärmeleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Versteifungselemente (6) selbst nach Art einer Hohlkugel oder eines Vielflächners ausgebildet sind (F i g. 2 und 3).

3. Verwendung der Wärmeleitelemente nach Anspruch 1 oder 2 als Wirbelschicht und/oder statische Schicht, z. B. in einem Fließbettwärmetau-