DE3038723C2 - - Google Patents

Description

Die bisher bekannten Wärmespeicher- bzw. -übertragungsmassen für Regeneratoren sind vorwiegend homogene oder mikroheterogene Feststoffe. Als Materialien werden Metalle, ihre Legierungen, keramische Massen und Sinterwerkstoffe eingesetzt. Im Hinblick auf die für Wärmespeichermassen wesentlichen physikalischen, chemischen und verfahrenstechnischen Eigenschaften, wie spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsfestigkeit, chemische Passivität und problemlose Reinigungsmöglichkeit, müssen bei den bekannten Massen häufig einschneidende Kompromisse gemacht werden.

So haben diese bekannten Massen eine relativ geringe Wärmekapazität, so daß hohe Leistungen den Einsatz großer Massen erfordern. Grundsätzlich besteht zur Erhöhung der Wärmekapazität die Möglichkeit, Materialien mit hoher Wärmespeicherfähigkeit mit den obengenannten Materialien zu umschließen, wie es z. B. bei den sogenannten Latentwärmespeichern bekannt ist. Bei Benutzung von Paraffinen, Salzhydraten usw. ist allerdings aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe der Wärmeübergang erheblich verschlechtert. Dieser Nachteil läßt sich weitgehend vermeiden, wenn ein Wärmespeichermaterial feinverteilt in ein Trägermaterial eingebracht wird, dessen Wärmeleitfähigkeit ausreichend hoch ist. Dabei können weitere Materialien zur Verbesserung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften in die Wärmespeichermasse eingebracht werden, z. B. Impfkristalle und/oder Metallfasern zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit (vgl. DE-PS 19 28 694). Wärmespeichermassen, deren Wärmekapazität im wesentlichen auf der Speicherkapazität eines in Hohlräume eines Träger- oder Gerüstmaterials eingelagerten Speichermaterials beruht, sind vielfach bekannt (AT-PS 3 22 504, DE-OS 19 37 804, EP-A1 5 362, EP-A1 19 573).

Soweit die bekannten Wärmespeichermassen in regenerativen Gas-Gas-Wärmetauschern zum Einsatz kommen, geschieht dies meist in Form starrer Wände, Rohre oder Platten. Seltener werden die Wärmespeichermassen als nicht oder wenig bewegte Schüttschichten eingebracht (z. B. GB-PS 7 08 369).

Beim Einsatz dieser bekannten Wärmespeichermassen als Wärmeübertragungsmassen in regenerativen Gas-Gas-Wärmetauschern kommt es in staubhaltigen Gasen, wie z. B. Rauchgasen, häufig zu Ablagerungen und Verkrustungen. Die Effektivität und Standzeit der bekannten Wärmetauscher werden in derartigen Anwendungsfällen außerordentlich herabgesetzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Ablagerungen auf der Oberfläche der Wärmespeichermasse zu vermeiden, auch wenn der Wärmetauscher mit Gasen hoher Staubbeladung betrieben wird und Taupunktunterschreitungen zu erwarten sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in der Verwendung einer aus zwei verschiedenen Materialien bestehenden Wärmespeichermasse, deren Wärmespeicherkapazität vorwiegend auf der Wärmespeicherkapazität des Latentwärmespeichermaterials beruht, das in regelmäßig oder statistisch verteilte Hohlräume oder Poren eines Trägermaterials eingelagert ist, für den regenerativen Wärmeaustausch zwischen staubhaltigen und aggressiven Gasen in stückiger Form als Kugeln, Zylinder, Ellipsoide. Die stückige Form der Wärmespeichermasse erlaubt, daß bei Betrieb des Wärmetauschers die Kugeln, Zylinder, Ellipsoide oder dergleichen in mindestens einem Bereich des Wärmetauschers fortwährend so in Bewegung gehalten werden, daß sie ständig aneinanderstoßen und/oder reiben und ihre Oberfläche hierdurch frei von Ablagerungen bleibt.

Die Form der stückigen Wärmespeicherelemente wird so gewählt, daß ihre Oberfläche allseitig von anderen Elementen kontaktiert werden kann, wie es z. B. bei Kugeln, Zylindern oder Ellipsoiden der Fall ist.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht ferner in der Verwendung der Wärmespeichermasse als Hohlkugel für einen Wirbelschicht-Wärmetauscher.

Berechnungsbeispiel:

Vergleich eines konventionellen Regenerativ-Wärmetauschers aus Stahl mit einem Regenerativ-Wärmetauscher mit erfindungsgemäß in stückiger Form verwendeten Latentwärmespeichermaterial.

Auslegungsdaten: Dichte des Gases: ρ = 1,3 kg/m³ (i.N.f.)
Spezifische Wärme des Gases: C _p = 1 kJ/kg
Wärmestrom: Q = V · ρ · C _p · t = 45 695 MJ/h
Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors: n = 1,5 Upm

• a) Rotor mit Speichermasse aus Stahl:
  Mittlere Temperaturdifferenz des Rotors zwischen Heiß- und Kaltgasseite: Δ _R = _RH - = 10°C
  Spezifische Wärme von Stahl: 0,5 kJ/kg · K
  Masse des Rotors:
• b) Rotor mit der erfindungsgemäß verwendeten Latentwärmespeichermasse, bestehend aus 40 Gew.-% eines Fluorkunststoffes (Material 2) und 60 Gew.-% einer Latentspeichermasse (Material 1). Für die Latentspeichermasse wird ein Phasenübergang fest-flüssig mit einer spezifischen Schmelzwärme von Δ H _S = 200 kJ/kg angenommen.
  In drei verschiedenen Ebenen des Rotors werden verschiedene Latentspeichermassen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur benutzt. t _{S 1} = 105°C, t _{S 2} = 86°C, t _{S 3} = 68°C.Mittlere Temperaturdifferenz des Rotors zwischen Heiß- und Kaltgasseite:Δ t _r = t _{RH 1}-t _{RK 1} = t _{RH 2}-t _{RK 2} = t _{RH 3}-t _{RK 3} = 1°C.Berücksichtigt wird ausschließlich die Wärmespeicherung durch den Phasenübergang des Speichermaterials (1). Hierfür wird angenommen, daß nur 80% dieses Materials jeweils erstarren bzw. schmelzen; η _s = 0,8
  Masse des Rotors:

Die Berechnungsbeispiele zeigen, daß durch die erfindungsgemäße Verwendung der Latentwärmespeichermasse eine erhebliche Massenverminderung für den Rotor eines Regenerativwärmetauschers erzielt werden kann. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei einer Anwendung nach Beispiel b) noch durch den geringen mittleren Temperaturunterschied von ca. 1°C zwischen Heiß- und Kaltgasseite. Die sich daraus ergebende höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Gas und der Rotorspeichermasse ermöglicht bei gleichbleibender Leistung eine wesentliche Verringerung der benötigten Austauschoberfläche, da die erforderliche Oberfläche F bei konstantem Wärmestrom der Temperaturdifferenz umgekehrt proportional ist. Eine Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Gas und Rotorspeichermasse von 20 auf 25°C erniedrigt die erforderliche Oberfläche daher um 20%.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Verwendung der stückigen Latentwärmespeichermasse 3 in einem von Kaltgas 4 und Heißgas 5 durchströmten Rotor 6 eines Regenerativwärmetauschers.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform der Latentwärmespeichermasse in Hohlkugelform. Diese Form eignet sich besonders für den Wirbelschichtbetrieb (vgl. Fig. 1, linke Seite).

Claims (2)

1. Verwendung einer aus zwei verschiedenen Materialien bestehenden Wärmespeichermasse, deren Wärmespeicherkapazität vorwiegend auf der Wärmespeicherkapazität des Latentwärmespeichermaterials (1) beruht, das in regelmäßig oder statistisch verteilte Hohlräume oder Poren eines Trägermaterials (2) eingelagert ist, für den regenerativen Wärmeaustausch zwischen staubhaltigen und aggressiven Gasen in stückiger Form als Kugeln, Zylinder, Ellipsoide.

2. Verwendung der Wärmespeichermasse nach Anspruch 1 als Hohlkugel für einen Wirbelschicht-Wärmetauscher.