DE3208665A1

DE3208665A1 - Waermeaustauscher zur rueckgewinnung thermischer energie aus einem fluid mit hochkorrodierenden substanzen

Info

Publication number: DE3208665A1
Application number: DE19823208665
Authority: DE
Inventors: Masayuki Hachinohe Aomori Kosaka
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1983-09-22
Also published as: FR2523289B1; GB2117105B; AU8135282A; AU555447B2; FR2523289A1; GB2117105A

Description

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Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung themischer Energie aus einem Fluid mit hochkorrodierenden Substanzen.

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, mit dem auf sichere Weise und mit hoher Nutzwirkung aus einem Fluid, das hochkorrodierende Substanzen mit sich führt, Wärmeenergie zurückgewonnen werden kann.

Große Mengen von Wärmeenergie sind in mit korrodierenden Substanzen beladenen Abgasen oder Abwässern enthalten, z.B. in den Abgasen von Hochöfen, Sinteranlagen, Destinations- und Verdampfungsanlagen, Schmelzaggregaten u. dgl.. Da solche Gase bzw. Dämpfe SO , Chlor, Fluor, Zink, Metallsul-

fide, Schlacke usw. enthalten, entstehen bei der Rückgewinnung von thermischer Energie mittels Wärmeaustauschern Schwierigkeiten.

Die bekannte Methode zur Rückgewinnung thermischer Energie aus einem derartigen Fluid ist in Fig. 1 dargestellt. Hierbei wird das mit hoher Temperatur aus den Anlagen kommende korrodierende Fluid in den Wärmeaustauscher 01 eingeleitet, wo es mit dem von Wasser durchflossenen Wärmeübertragungsrohr 02 in Berührung kommt, so daß das Wasser aufgeheizt oder verdampft wird. Weitere Teile dieser bekannten Anlage sind: der mit Wasser 04 gefüllte Wassertank 03, die Zuführpumpe 05, die Wasserleitungen 06 und 07, der Kühler 08. Die Pfeile A bezeichnen die Fließrichtung des Fluids.

Bei dieser Methode ist es erforderlich, Temperatur und Druck des entstandenen Dampfes so hoch wie möglich zu halten, um die thermische Energie möglichst weitgehend nutzen zu können. Unter den bei dieser Methode einzuhaltenden Bedingungen werden jedoch die für Wärmeaustauscher gebräuchlichen Materialien, wie Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen u. dgl. einer erheblichen Korrosion ausgesetzt. Dies führt zu Schäden im Wärmeaustauscher, bei denen Wasser und Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck in das Fluid eindringen können. Hierdurch können schwere Unfälle, wie Explosionen, verursacht werden.

Steine bzw. Abdeckungen aus Siliciumcarbid oder Graphit hätten zwar eine Korrosionsfestigkeit gegenüber den aggressiven Substanzen des Fluids und

eine gute Wärmeleitfähigkeit, sie haben jedoch gegenüber den üblichen Materialien eine geringere Festigkeit. Es ist daher schwierig, eine Konstruktion zu finden, die einem Dampfdruck von etwa 7 kg/cm G standhält, wie er im allgemeinen angewendet wird. Ferner sind derartige Konstruktionen empfindlich gegenüber Wärmestößen beim Aufheizen oder Kühlen, sowie auch gegenüber anderer Stoßbeanspruchung. Es ist daher schwierig auf diese Weise einen Wärmeaustauscher von hoher Sicherheit zu bauen.

Ferner war bei den konventionellen Wärmeaustauschern die Temperatur am Auslaß bestenfalls 60 - 7O⁰C und die Abgaswärme wurde nur zum Teil zur Erzeugung von heißem Wasser genutzt, der Rest ging verloren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung thermischer Energie aus einem Fluid mit korrodierenden Substanzen zu schaffen, der die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Wärmeaustauscher nicht aufweist und der gefahrlos mit längerer Lebensdauer und hohem Nutzeffekt arbeitet. Diese Ziele werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Legierung von niedrigem Schmelzpunkt in einem Behälter angeordnet ist, der mit dem korrodierenden Fluid oder der Wärmequelle in Berührung gebracht wird. Es wird eine Legierung verwendet, die in geschmolzenem Zustand eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen hohen Siedepunkt und einen niedrigen Dampfdruck bei hohen Temperaturen aufweist. In der Legierungsmasse ist ein Leitungssystem angeordnet, in dem ein wärmeübertragendes Medium umläuft. Dieses Leitungssystem ist direkt oder unter Verwendung einer zur Wärmeübertragung ausgestalteten Platte o. dgl. in der geschmolzenen Legierung angeordnet.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine konventionelle Anlage zur Rückgewinnung thermischer Energie,

Fig. 2 ' zeigt eine Ausführungsform einer Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig. 3 zeigt die Ausführungsform der Fig. 2 in einem Schnitt nach der. Linie III - III der Fig. 1,

Fig. 4 ist der Schnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V- V der Fig. 4 und

Fig. 6 ist ein Diagramm einer Anlage zur Rückgewinnung thermischer.Energie unter Verwendung erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch und zur überhitzung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 ist ein äußeres Gehäuse 1 in Form, eines rechtwinkligen Parallelepipeds vorgesehen. Eine Öffnung 2 erstreckt sich von oben zum Mittelteil. Da das äußere Gehäuse 1 von dem korrodierenden Fluid bei hoher Temperatur umspült wird, ist seine Außenfläche mit einer korrosionsfesten Verkleidung 3 versehen. Hierzu eignen sich beispielsweise Siliciumcarbid, Graphit u. dgl., die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Im äußeren Gehäuse 1 ist mit einem Abstand von dessen Innenfläche das innere Gehäuse 4 angeordnet. Öffnungen 5 und 6 führen von den beiden oberen Enden des inneren Gehäuses ins Innere. Die Außenflächen im Bereich der Öffnungen 5 und 6 sind ebenfalls mit einer korrosionsfesten Verkleidung 3 aus z.B. Siliciumcarbid- oder Graphitsteinen versehen: Ferner ist im inneren Gehäuse 4 eine Wärmeübertragungsplatte 7 befestigt, die aus einem Material hoher Leitfähigkeit, wie kohlenstoffarmer Stahl, Kupfer u. dgl., besteht und eine Mehrzahl von durchgehenden Bohrungen 7a aufweist. An den Mündungen dieser Bohrungen 7a sind an der Wärmeübertragungsplatte 7 Rohre 8 angeschweißt, die die Bohrungen 7a miteinander verbinden und so eine Kreislaufleitung herstellen. In diesem Leitungssystem zirkuliert ein wärmeabführendes Medium, wie Wasser. Der Zwischenraum zwischen dem äußeren Gehäuse 1 und den inneren Gehäuse 4 ist mit einer Legierung 9 von niedrigem Schmelzpunkt ausgefüllt. Geeignet ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Wismut und Blei besteht. Bei einer solchen Legierung kann man den Schmelzpunkt auf etwa 60⁰C einstellen, gegebenenfalls durch Zugabe von Metallen wie Zink, Cadmium u. dgl.. Da nun andererseits derartige Legierungen einen hohen Siedepunkt von 1.500⁰C und höher haben, befindet sich die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung 9 über einen sehr weiten Temperaturbereich von z.B. 60 bis 1.500⁰C im Zustand einer Schmelze. Sie kann daher innerhalb dieses extrem weiten Temperaturbereichs zur Wärmeübertragung auf das wärmeaufnehmende und -abführende System verwendet werden.

Die Wärmeübertragung in einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher geht folgendermaßen vonstatten. Die von der Wärmequelle (Fluid) inpirektem Kontakt auf die korrosionsfeste Verkleidung 3 übertragene Wärme wird weitergeleitet

zu dem wärmeaufnehmenden Medium, z.B. Wasser, in den Bohrungen 7a der Wärmeübertragungsplatte 7. Hierbei fließt die Wärme durch das äußere Gehäuse 1, die niedrigschmelzende Legierung 9, das innere Gehäuse 4 und die Wärmeübertragungsplatte 7. Da nun der gesamte Weg des Wärmeflusses von der die Wärme aufnehmenden Verkleidung 3 bis zu der die Wärme abgebenden Wärmeübertragungsplatte 7 durch Materialien von guter Wärmeleitfähigkeit geht, erreicht man einen hochwirksamen Wärmeaustausch trotz der Doppel struktur der Vorrichtung.

Wie oben erwähnt ist der Zwischenraum zwischen dem äußeren Gehäuse 1 und dem inneren Gehäuse 4 mit einer niedrigschmelzenden Legierung, hauptsächlich aus Wismut und Blei ausgefüllt. Eine solche Legierung hat selbst bei einer Temperatur von 1.000⁰C einen extrem niedrigen Dampfdruck. Daher sind Verluste durch Verdampfung kaum zu erwarten.

Da der Dampfdruck der Legierung bei hoher Temperatur niedrig ist und eventuell entstehender Druck in die Atmosphäre abgelassen werden kann, spielt die mechanische Festigkeit des äußeren Gehäuses 1 nur eine geringe Rolle. Es können daher Materialien verwendet werden, die - wie Steine aus Siliciumcarbid oder Graphit - zwar keine große Festigkeit, aber eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Es sind noch folgende Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen. Um Leckagen der Legierung infolge Schäden am äußeren oder inneren Gehäuse anzuzeigen, sind ein Niveauanzeiger 10 in der Öffnung 2 des äußeren Gehäuses 1 und ein Leckageanzeiger 11 am Boden des inneren Gehäuses 4 angebracht. Falls durch einen Schaden an dem äußeren Gehäuse 1 Legierung 9 ausläuft, sinkt deren Niveau und der Niveauanzeiger 10 tritt in Tätigkeit. Hierdurch wird eine Störung an dem äußeren Gehäuse angezeigt. Es kann dann das äußere Gehäuse 1 ausgetauscht oder repariert werden, bevor das innere Gehäuse 4 Schaden nimmt. Das Niveau der Legierung sinkt ebenfalls bei einem Leck an dem inneren Gehäuse 4. In diesem Fall fließt Legierung in den Innenraum des inneren Gehäuses, was durch den Leckageanzeiger 11 angezeigt wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform. Das Gehäuse Γ hat an seinem oberen Teil Öffnungen. Im Innenraum ist eine Rohrschlange 8' in Windungen angeordnet. Das Gehäuse Γ ist mit der beschriebenen niedrigschmelzenden Legierung 9 gefüllt. Die mit den Fig. 2 und 3 identischen

Teile haben die gleichen Bezugsziffern. Diese Ausführungsform ist in der Konstruktion einfacher und wirtschaftlich vorteilhafter.

Gegenüber konventionellen Wärmeaustauschern haben die Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung den Vorteil größerer Sicherheit und Nutzwirkung, selbst wenn das korrodierende Fluid eine relativ niedrige Temperatur von etwa

2 350⁰C hat. Gesättigter Dampf von etwa 7 kg/cm G kann leicht erzeugt werden bei zusätzlicher Verwendung eines Dampf/Wasser-Separators. Wenn eine übermäßig hohe Menge an Dampf anfällt, die auf normalem Wege, z.B. für Heizungszwecke, nicht vollständig verbraucht werden kann, sio kann ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher zusätzlich (wie in Fig. 6 gezeigt) als Überhitzer zur Erzeugung von Heißdampf eingesetzt werden. Dieser Heißdampf von hoher Temperatur und hohem Druck kann z.B. zur Elektrizitätserzeugung genutzt werden.

Bei der Anlage gemäß Fig. 6 wird das aus Hochöfen, Sinteranlagen u. dgl. kommende korrodierende Fluid mit der Strömungsrichtung der Pfeile A in die Wärmeaustauschkammer 12 eingeleitet. In der Kammer 12 sind ein Wärmeaustauscher 13 und ein Überhitzer 14 der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Art angeordnet. Eine Rohrleitung 15 für Wasser ist an der Eingangsseite des Wärmeaustauschers 13 mit dem Wärmeübertragungsrohr 8 verbunden. Ein Dampf/Wasser-Separator 16 ist an der Ausgangsseite des Rohres 8 angeschlossen. Das vom Separator 16 kommende Dampfrohr 17 führt zur Eingangsseite des Rohres 8 des Überhitzers 14. An dessen Ausgangsseite ist das Heißdampfrohr 18 angeschlossen. Weitere Teile der Anlage sind: der Wassertank 19 mit Wasser 20, die Wasserpumpe 21 und das Ableitungsrohr 22.

Claims

LICHTENSTEINSTRASSE 3
FERNSPRECHER: (0611) 555061
TELEGRAMME: LOMOSAPATENT
LANDESZENTRALBANK 50007149
POSTSCHECK-KONTO FFM. 1667-609

Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.

No. 1-1, Nihonbashi Muromachi 2-chome, Chuoh-ku, Tokyo 103, Japan

Patentansprüche

) \ Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung thermischer Energie aus einem Fluid

Γι hochkorrodierenden Substanzen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter, an dessen Außenseite das die Wärmequelle darstellende Fluid herangeführt wird, mit einer Legierung gefüllt ist, die einen niedrigen Schmelzpunkt, einen hohen Siedepunkt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und bei hohen Temperaturen einen niedrigen Dampfdruck hat, und daß in diesem Behälter und in der geschmolzenen Legierung ein Leitungssystem für die Zirkulation eines wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabführenden Mediums, wie Wasser, angeordnet ist.
2) Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Legierung die hauptsächlich aus Wismut und Blei, gegebenenfalls mit Zusätzen von Zinn, Cadmium u. dgl. besteht.
3) Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Behälter (1, Γ) eine äußere Verkleidung aus korrosionsfestem Material von guter Wärmeleitfähigkeit, wie Siliciumcarbid oder Graphit hat.
4) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem in dem Behälter (1¹) als Rohrschlange (8¹) mit Windungen durch die Legierung (9) geführt ist.
5) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem als eine mit Bohrungen (7a) versehene Wärmeübertragungsplatte (7) ausgebildet ist, wobei diese Bohrungen (7a) durch verbindende Rohre (8) ein Kreislaufsystem bilden.
6) Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Gehäuse (1) und ein inneres Gehäuse (4) vorgesehen sind und der Zwischenraum zwischen diesen mit der Legierung (9) ausgefüllt ist und daß das wärmeabführende Leitungssystem (7, 7a, 8) Teil des inneren Gehäuses (4) ist.
7) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niveauanzeiger (10) für den Flüssigkeitsstand der Legierung (9) vorgesehen ist.
8) Wärmeaustauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leckageanzeiger (11) am Boden des inneren Gehäuses (4)· vorgesehen ist.