DE3139749A1

DE3139749A1 - Waermetauschervorrichtung

Info

Publication number: DE3139749A1
Application number: DE19813139749
Authority: DE
Inventors: Edward H. 17601 Lancaster Benedick
Original assignee: Regenerative Environmental Equipment Co Inc
Current assignee: Regenerative Environmental Equipment Co Inc
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1982-08-12
Also published as: FR2492056B1; JPS5792696A; GB2087526A; JPH0432290B2; FR2492056A1; CA1148930A; DE3139749C2; CH655171A5; MX154067A

Description

EU ρ l,k I η g. C u r t W a 11. a c h Dipl.-ing. Günther Koch DipUPhys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkämp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wäkai d

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Unser Zeichen:

6. Oktober I98I 17 290 - Sa

Regenerative Environmental Equipment Co. Inc. 520 Speedwell Avenue Morris Plains, New jersey 07950 U.S.A.

Wärmetauschervorrichtung

Priorität ι

196 590

U.S.A.

14. Oktober I980

Die Erfindung bezieht sich auf-eine Wärmetauschervorrichtung mit einer in der Mitte angeordneten Hochtemperatur-Verbrennungszone, mit einer Anzahl von außerhalb der Verbrennungszone angeordneten Wärmetauscherabschnitten und mit mit diesen Abschnitten gekoppelten Einrichtungen zur Zuführung und Ableitung von ungereinigten bzw. gereinigten Strömungsmedien zu bzw. von den Wärmetauscherabschnitten.

In der letzteren Zeit ergaben sich mit dem Anstieg der Energiekosten auf immer höhere Werte entsprechend zunehmende Forderungen nach Vorrichtungen, die Wärme einsparen und damit Brennstoffkosten verringern können. Eine derartige Vorrichtung, die besonders in nach dem thermischen Regeneratiwerfahren arbeitenden Vorrichtungen für den Umweltschutz verwendbar ist, ist in der US-PS 3 895 918 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist eine inder Mitte angeordnete Hochtemperatur-Verbrennungs- oder -Veras chungsk amme r vorgesehen, die unter gleichen Winkelabständen von einer Anzahl von angrenzenden Wärmetauscherabschnitten umgeben ist. Diese Wärmetauscherabschnitte stehen mit der Verbrennungskammer und einer äußeren Zuführung von Verunreinigungen, wie beispielsweise schädlichen Ausströmungen von Industrieverfahren in Verbindung. Die Ausströmungen werden unter Verwendung von automatischen Drosselklappen während eines vorgegebenen Betriebszyklus vorgegebenen Wärmetauscherabschnitten zugeführt. In jedem Wärmetauscherabschnitt befindet sich ein Wärmetauscherbett, das aus einer Anzahl von keramischen Wärmetauscherelementen besteht, die nach außen hin durch eine

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perforierte Stahlwand und nach innen hin (der Verbrennungskammer am nächsten) durch eine weitere perforierte oder mit Jalousieschlitzen versehene Metallwand festgehalten werden. Weil eine große Anzahl von Wärmetauscherelementen in den Raum zwischen diesen beiden Haltewänden eingehüllt wird, ergibt sich ein großer seitlicher Schub, der durch das kombinierte Gewicht dieser Wärmetau= scherelemente hervorgerufen wird.

Wenn die Ausströmungen während eines Verarbeitungszyklus durch einen vorgegebenen Wärmetauseherabschnitt oder vorgegebene Wärmetauscherabschnitte geleitet werden,, wird die Temperatur dieser Ausströmungen durch die in den keramischen Elementen dieses Wärmetauscherabschnittes enthaltene Restwärme vergrößert, die von diesen Elementen in einem vorhergehenden Zyklus aufgenommen wurde, wenn in der Verbrennungskammer gereinigtes Gas durch diesen Wärmetauscherabschnitt zu einem Auslaß hin hindurchgeleitet wurde, lach der Vorwärmung in diesem Wärmetauscherabschnitt treten die ankommenden Ausströmungen in die Verbrennungskammer ein, in der die schädlichen Bestandteile oxidiert werden. Die gereinigte Ausströmung wird dann aus der Verbrennungskammer heraus durch andere Wärmetauscherabschnitte in den Auslaßkreis geleitet, von dem aus sie in die Umgebungsatmosphäre verteilt wird.

Bei derartigen nach dem Wärmeregenerationsverfahren arbeitenden Anordnungen erforderte der erhebliche seitliche Schub der keramischen Wärmetauscherelemente in vielen Fällen die Verwendung von Stahl-Zugankern, die sich in Horizontalrichtung zwischen der vorderen Haltewand ("heiße Stirnfläche") und der hinteren Haltewand ("kalte

Stirnfläche") erstrecken. Diese Zuganker verhinderten weiterhin ein Durchbiegen oder eine Auslenkung der heißen Stirnfläche aufgrund der Wärme. An den Enden dieser Zuganker wurden spezielle Tellerfedern.und Kuttern verwendet, um die Spannung der Zuganker einzustellen. Spezielle horizontale Bolzen wurden weiterhin in den Seitenkanten der vorderen Haltewand zur Vergrößerung der strukturellen Festigkeit angeordnet. Bei Verbrennungstemperaturen von bis zu ungefähr 640 bis 860 ⁰C bestand die heiße Stirnfläche in vielen Fällen aus sehr aufwendigem Material, wie beispielsweise einem Stahl mit hohem ETickel-Chrom-Gehalt mit geringem Ausdehnungskoeffizienten. Für den Betrieb der Verbrennungskammer bei noch höheren .Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 860 bis 1000 ⁰C, würde die Verwendung einer beträchtlich größeren Menge dieses aufwendigen Stahlmaterials erforderlich sein.

Weiterhin war die vordere Haltewand in üblichen Vorrichtungen häufig dem Angriff von korrodierenden oder anderen chemisch zerstörenden Wirkungen von manchen Bestandteilen der Ausströmungen ausgesetzt, was zu einer verkürzten Lebensdauer derartiger Metallwände führt. Die vorderen Haltewände, aus Metall wiesen weiterhin keine wesentlichen Wärmetausehereigenschaften auf.

Der Erfindung liegt die. Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauschervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Wand bei geringeren Herstellungs- und Unterhaltskosten eine höhere Temperaturbeständigkeit als übliche, in Wärmetauschervorrichtungen verwendete Wände aufweist und die auch eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen aufweist und gleichzeitig eine größere

-¹S-

Wärmetauscherwirkung ergibt als übliche metallische Halte wände .

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Wärmetauschervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelost, daß eine Wand mit der Form einer allgemein geschlossenen Kurve die Verbrennungszone umgibt und im wesentlichen aus einer Vielzahl von feuerfesten Blöcken besteht, daß die Wand eine erste Anzahl von Bereichen aufweist, in denen die Blöcke perforiert sind, und die abwechselnd mit einer zweiten Anzahl von Bereichen angeordnet sind, die nicht perforiert sind, daß die Wärmetauscher ab schnitte außerhalb der Wand, jedoch angrenzend an diese, jeweils an einem der ersten Bereiche angeordnet sind, in denen die Blöcke perforiert sind, und daß jeder Wärmetauseherabschnitt ein Wandelement einschließt_s das zusammen mit dem perforierten Bereich eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen festhält, wobei die Wandelemente einen Teil aufweisen, der eine Gasströmung durch die Wärmetauscherelemente zu oder von der Verbrennungszone ermöglicht.

Durch die Verwendung einer perforierten inneren Haltewand, die aus feuerfesten Blöcken besteht, ergibt sich eine feuerfeste Wand, die eine höhere Temperaturbeständigkeit, als übliche, in Wärmetauschervorrichtungen verwendete Wände aufweist, und die weniger aufwendig in der Herstellung und Wartung ist. Gleichzeitig weist diese Wand eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen auf und sie ergibt größere Wärmetauscherwirkungen als übliche Metall-Haltewände« Zusätzlich ergibt sich eine größere Festigkeit für die gesamte Wand

der Wärmetauschervorrichtung als übliche Metall-Beton-Konstruktionen.

Die Wand der. Verbrennungskammer weist damit zumindest einen Bereich auf, der aus einer Vielzahl von feuerfesten Blöcken "besteht, die durch eine Vielzahl von allgemein horizontalen Kanälen perforiert sind. Die Blöcke sind in aneinander angrenzender Weise in einer allgemein horizontalen bogenförmigen Anordnung vor einer Vielzahl von Wärmet auscherelementen angeordnet, die durch diese Wand festgehalten werden.Die perforierten Blöcke sind zwar vorzugsweise abwechselnd mit nicht-perforierten Blöcken oder Ziegeln angeordnet, um eine einstückige kreisförmige feuerfeste Baugruppe zu bilden, sie können jedoch auch nur in den Bereichen angeordnet sein, an denen die Wärmetauscherabschnitte angrenzen.

Schachbrettartige feuerfeste Wände wurden zwar bereits zur Erzielung von Wärmetauschereigenschaften verwendet, doch sind sie im allgemeinen so konstruiert, daß sie nicht in der Lage sind, beträchtlichen Lasten zu widerstehen. In der US-PS 2 125 193 sind zwar feuerfeste Blöcke mit Nuten an einer Seite gezeigt, die mit den Nuten benachbarter Blöcke so angeordnet sind, daß eine axiale öffnung gebildet wird, die eine Sauerstoffströmung durch diese öffnungen ermöglicht.. Diese US-PS ergibt jedoch keinen Hinweis auf die Ausbildung einer horizontalen bogenförmigen Wand, die aus einer Anzahl von feuerfesten Blöcken besteht,- die axiale durchgehende Kanäle aufweisen, und die in eine kreisförmige Verbrennungskammerwand integriert sind. Eine derartige gekrümmte Wand dient in der erfindungsgemäßen Weise als zusätzliche

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Wärmetauscheranordnung, die in wirtschaftlicherer Weiäe höheren Verbrennungstemperaturen und chemischen Angriffen widerstehen kann und die gleichzeitig eine Festigkeit .-gegenüber seitlichen Druckkräften aufweist. ί

Ausführungsbeispiele der Erfindung.werden im folgende4 anhand der Zeichnung noch näher erläutert. ι

ί In der Zeichnung zeigen:

1 eine teilweise weggebrochen dargestellte Draufsicht auf eine nach dem thermischen Regenerafiv verfahren arbeitende Wärmetauschervorrichtung, bei der die Erfindung anwendbar ist, f

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht bei einer Betrafhtung von der Verbrennungskammer aus nach außfn, aus der eine Ausführungsform der aus perforierten Ziegeln bestehenden Wand erkennbar ist_? |

Fig. 3 eine bruchstückhafte teilweise geschnittene |\nsicht der Haltewand nach Fig. 2, >-

Fig. 4 eine bruchstückhafte Seitenansicht entlang dpr Linie 4—4- nach Fig. 3« \

In Fig. 1 ist eine nach dem thermischen Regeneratiwea?- fahren arbeitende Vorrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Diese Vorrichtung schließt eine in der Mitte angeordnete gewölbte Verbrennungskammer 11 ein, in die Brenner 21 vorspringen. Um die Kammer 11 herum ist unter |

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gleichen Abständen eine Vielzahl von Warmetauscherabschnitten 12 angeordnet, die jeweils eine perforierte äußere Haltewand 23 und von dieser aus nach innen ein Wärmetauscherbett 13 einschließen, in dem eine große Anzahl von feuerfesten Wärmetauscherelementen 24- angeordnet ist. Industrielle Ausströmungen werden über einen Einlaßkanal 17 einem allgemein kreisringförmigen Einlaßring 16 zugeführt, der über einen Speisekanal 9 (S¹Ig. 2) mit den Räumen 20 außerhalb der äußeren Haltewand 23 verbunden ist. Ein Einlaßventil 14 ist in jedem Speisekanal 9 angeordnet, um Betriebszyklus-inderungen zu ermöglichen. Ein weiterer Kanal 26 mit einem Yentil 26a tritt in den Raum 20 durch die obere Wand 25 ein, die jeden Wärmetauscherabschnitt abdeckt, so daß das Einführen eines "Heinigungs"-Gases möglich ist, wenn dies erwünscht ist. Wei-· terhin ist an jedem Wärmetauscherabschnitt 12 ein Auslaßkanal 8 mit einem darin angeordneten Auslaßventil 19 angeordnet. Die Auslaßkanäle 8 stehen mit den Räumen 20 und mit einem kreisringförmigen Auslaßring 15 in "Verbindung, mit dem ein Auslaßkanal 18 gekoppelt ist. Der Auslaßkanal 18 kann mit einem Auslaßgebläse und einem Kamin verbunden sein.

Wie dies in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, werden die Wärmetauscherelemente 24 nach außen hin durch eine perforierte Metallplatte oder Wand 23 und in Richtung auf den Mittelpunkt durch eine gekrümmte Verbrennungskammerwand festgehalten, die allgemein mit der Bezugsziffer 27 0?ig. 2) bezeichnet ist. Die Wand 27 weist eine Vielzahl von Bereichen auf, die perforierte feuerfeste Ziegel 28 einschließen, die in gekrümmten Reihen gemäß den Hg. 2 und 3 verlegt sind. Diese gekrümmten Fandteile 27 sind

-Inzwischen anderen gekrümmten kreisförmigen Wandteilen 27b angeordnet, die aus Anordnungen von nicht-perforierten Ziegeln 30 "bestehen, um eine durchgehende gekrümmte (Zylindrische) Auskleidung für die Verbrennungskammer 11"zu bilden.

Hinter den nicht-perforierten Ziegeln 30, 31 und 32 befindet sich eine äußere Wand 3^» die beispielsweise aus einem unter der Handelsbezeichnung "Monoblock" erhältlichen Isoliermaterial oder aus irgendeinem anderen im Handel erhältlichen Hochtemperatur-Isoliermaterial besteht, das von einem Typ mit entweder niedriger oder hoher Dichte sein kann. Die feuerfesten Ziegel 30? 31 und 32 wenden von einem Metallmantel 35 umgeben und gehaltert, der ' außerdem jeden Wärmetauscherabschnitt 12 umgibt, _s*

Wie dies am besten aus den Fig. 2, 3 und 4- zu erkennen ist, weist jeder feuerfeste Ziegel 28 eine Anzahl von. axialen Kanälen28b auf, die es noch nicht gereinigten; Ausströmungen ermöglichen, in die Verbrennungskammer fl1 einzutreten, oder diese zu verlassen, um verarbeitet bzwausgestoßen zu werden. Die speziellen dargestellten \ feuerfesten Blöcke 28 weisen Perforationen 28b auf, die .ein Drittel des Vertikalen Querschnittes des Blockes umfassen. Es wurde festgestellt, daß dieses Verhältnis es ermöglicht, den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung in speziellen Installationen aufrechtzuerhalten, weil kein unnötig hoher Druckabfall eingeführt wird, während gleichzeitig eine ausreichende Strömung für eine_; vollständige Reinigung in der Verbrennungskammer ermöglicht wird. Selbstverständlich kann jede Installationeigene Forderungen hinsichtlich der Anzahl oder Größe der

Perforationen für den Block ergeben.

Jeder Block 28 weist "bei der dargestellten Ausführungsform weiterhin einen vertikalen Wulst 28a auf, der an einer Seite angeordnet ist und der mit einer entsprechenden Uut 28c zusammenpaßt, die auf der entgegengesetzten Seite des benachbarten Ziegels angeordnet ist. Jeder Block weist bei der in den Fig. 2, 3 ^und 4 gezeigten Ausführungsform einen horizontalen Querschnitt gemäß Fig. 3 auf, was die Errichtung eines horizontalen bogenförmigen Haltewandteils 27a innerhalb jedes Wärmetauscherbettes 13 ermöglicht, so daß die gesamte Wandstruktur 27 eine hohe Verbundfestigkeit aufweist.Die Blöcke 28 erstrecken sich allgemein vor der Öffnung, die durch die nicht-parallelen Wände jedes Wärmetauseherabschnittes 12 gebildet ist. Nicht-perforierte Ziegel 31 und 32 gemäß Fig. 2 bilden den Übergang zwischen den Blöcken 28 und den Ziegel 3o.

Die in den Zeichnungen gezeigte, aus perforierten feuerfesten Blöcken bestehende Haltewand ergibt erhebliche Kosteneinsparungen, verglichen mit der ebenen starren metallischen inneren Haltewand, wie sie bisher verwendet wurde. Die Errichtung dieser Wand stellt damit lediglich eine Maureraufgabe dar und erfordert keine speziellen Stähle, keine speziellen Beilagscheiben, keine speziellen Zuganker, keine speziellen Seitenbolzen und ermöglicht die Einsparung weiterer Geräte- und Zusammenbaukosten. Der Betrieb der der Wärmetauschervorrichtung ergibt weiterhin Eosteneinspatungen, weil diese Wärmetauschervorrichtung höheren Verbrennungskammer-Temperaturen und deren Machteiligen Wirkungen widerstehen kann, ohne daß es

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erforderlich ist, sehr aufwendige Spezialstähle zu Hilfe zu nehmen, die andernfalls erforderlich sein wurden. Diese Stahlwände sind in jedem Fall gegenüber einem chemischen Angriff viel stärker empfindlich als feuerfeste Materialien, und sie können nicht die Wärmetauschereigenschaften der Wärmetauschervorrichtung verbessern, wie dies bei den erfindungsgemäßen feuerfesten Materialien der Fall ist.

Claims

Patehfanwalte.'DipLi-lng. Curt Wallach *#■

Dipl.-Ing. Günther Koch i

Dipl.-Phys. Df.Tino Haibach ■> Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen: 17 290

Patent ansprüche

Wärmet aus ehe rvorricht-ung mit einer in der Mitte angeordneten Hochtemperatur-Verbrennungszone, mit einer Anzahl von außerhalb der Verbrennungszone angeordneten Wärmetauscherabschnitten und mit mit diesen Wärmetauscherabschnitten gekoppelten Einrichtungen zur Zuführung und Ableitung von ungereinigten bzw. gereinigten Strömungsmedien zu bzw. von den Wärmetauscherabschnitten, dadurch gekennzeichnet , .daß eine Wand (27) mit der Form einer allgemein geschlossenen Kurve die Verbrennungszone umgibt und im wesentlichen aus einer Vielzahl von feuerfesten Blöcken (28, 30, 31, 32) besteht_s daß die Wand eine erste Inzahl von Bereichen (27a) aufweist, in denen die Blöcke (28) perforiert sind und die abwechselnd mit einer zweiten Anzahl von Bereichen (27b) der Wand angeordnet sind, die nicht perforiert sind, daß die Wärmetauscherabschnitte (12) außerhalb der Wand (27), jedoch angrenzend an diese jeweils an einem der ersten Bereiche (27a) angeordnet sind, in denen die Blöcke (28) perforiert sind, und daß jeder Wärmetauscherabschnitt (12) ein Wandelement (23) einschließt, das zusammen mit jedem perforierten Bereich (27a) eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen

(24) festhält, wobei die Wandelemente (23) einen Teil aufweisen, der eine Gasströmung durch die Wärmetauscherelemente (24) zu oder von der Verbrennungszone ermöglicht.
2. Wärmetausehe rvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (27) im wesentlichen kreisförmig ist und daß die Blöcke (28) der ersten Anzahl benachbart zueinander in einer Anzahl von benachbarten horizontalen Reihen verlegt sind.
3. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen der Blöcke der ersten Anzahl durch eine Vielzahl von Kanälen gebildet sind, die sich von der Vorderseite zur Rückseite jedes derartigen Bl okkes (28) erstrecken.
4. Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 3j dadurch' gekennzeichnet, daß die Kanäle jedes Blockes (28) ungefähr 30 bis 40 % von dessen Volumen bilden.
5. Wärmetauschervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Block (28) der ersten Anzahl einen Wulst (28a) auf einer Seite .und eine ITut (28c) auf der anderen Seite aufweist, so daß.benachbarte Blöcke (28) ineinandergreifen.

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6. Wärmetauschervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz e i chnet , daß die kreisrunde Wand eine im wesentlichen gleichförmige Stärke aufweist, daß die Stärke der Wand (27) an der ersten Anzahl von Bereichen (27a) ausschließlich durch die Abmessungen eines einzigen Ziegels (28) von vorne nach hinten gebildet ist und daß die Stärke der Wand an der zweiten Anzahl von Bereichen durch zumindest zwei horizontal versetzte, jedoch aneinander anstoßende vertikale Sätze von feuerfesten Ziegeln gebildet ist.
7. Wärmetauschervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn*- zeichnet , daß die Außenseite der Wandteile und der Wärmetauscherabschnitte (12) von einer Metallumhüllung umgeben ist.
8. Wärmetauschervorrichtung mit einer allgemein in der Mitte angeordneten Hochtemperatur-Yerbrennungszone_s die von einer Wand umgeben ist, die eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten Bereichen aufweist, die aus feuerfestem Material hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Wärmetauscherabschnitten (12) außerhalb der Wand (27)? jedoch angrenzend an diese an den Zwischenräumen zwischen den Bereichen aus feuerfestem Material angeordnet ist, daß jeder Wärmetauscherabschnitt (12) eine innere Haltewand und eine perforierte äußere Haltewand (23) zum Festhalten einer Vielzahl von getrennten aufgestapelten

Wärmetauscherelementen (24) einschließt, daß die innere Haltewand durch eine Vielzahl von perforierten feuerfesten Löchern (28) gebildet ist, die in"Form einer allgemein geschlossenen Kurve"angeordnet sind, deren konkaver Teil auf die Yerbrennungszone gerichtet ist, und daß mit den Wärmetauscherabschnitten (12) vorgesehene Einrichtungen (15) 16) zur Zuführung bzw. Ableitung von ungereinigten bzw. gereinigten Ausströmungen zu bzw. von den Wärmetauscherabschnitten (12) vorgesehen sind.