DE3222069A1 - Verfahren zur rueckgewinnung von waerme aus rauchgasen - Google Patents
Verfahren zur rueckgewinnung von waerme aus rauchgasenInfo
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Abstract
Um bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgasen, bei welchem man die Rauchgase in einem Wärmetauscher mit einem Kühlmittel über Wärmeübertra- gungsflächen in Kontakt bringt, dadurch die Bestandteile des Rauchgases teilweise kondensiert und das Kondensat ablei- tet, eine Zerstörung des Wärmetauschers durch korrodie- rende Säureanteile des Kondensats zu vermeiden und ande- rerseits die Wärmeübertragung wirksamer zu gestalten, wird vorgeschlagen, daß man die Rauchgase im wesentlichen senkrecht von unten nach oben längs mindestens einer durchgehenden Wärmeübertragungsfläche durch den Wär- metauscher leitet, daß man die Länge des Wärmetauschers und/oder die Temperatur des Kühlmittels derart wählt, daß die Kondensation im oberen Bereich des Wärmetauschers eintritt, und daß man das entstehende Kondensat des Wärmetau- schers vollständig ableitet. (32 22 069)
Description
HOEQER,
pat £·Λ f *A ν w α ν τ ε ·· ·
UHLANDSTRASSe 14 C · D 7000 STUTTGART 1
A 44 957 u Anmelderin: Deutsche Forschungs-
u -.183 und Versuchsanstalt
30. April 19 82 für Luft- und Raum
fahrt e.V.
5300 Bonn
Beschreibung
Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgasen, bei welchem man die Rauchgase in einem
Wärmetauscher mit einem Kühlmittel über Wärmeübertragungsflächen in Kontakt bringt, dadurch die Bestandteile
des Rauchgases teilweise kondensiert und das Kondensat ableitet.
Ein solches Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgasen ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
28 20 826 bekannt.
Probleme ergeben sich bei solchen Verfahren dadurch, daß die beim Abkühlen der Rauchgase unter den Taupunkt entstehenden
Kondensate neben Wasser auch einen Schwefeloxidanteil enthalten, der zusammen mit dem Wasser zur Bildung
von schwefliger Säure und Schwefelsäure führt. Auch Stickoxide und Kohlendioxid werden in dem Wasser gelöst und bil-
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den Säuren. Diese Säuren, insbesondere die schweflige Säure
und die Schwefelsäure, wirken stark korrodierend und führen
bei bisher bekannten Verfahren häufig zur Zerstörung des Wärmetauschers und dabei insbesondere der Wärmeübertragungsflächen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgasen derart zu verbessern, daß
trotz der Kondensatbildung eine Korrosion des Wärmetauschers zuverlässig vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Rauchgase im wesentlichen senkrecht von unten nach oben längs mindenstens
einer durchgehenden Wärmeübertragungs fläche durch 5i
den Wärmetauscher leitet, daß man die Länge des Wärmetauschers und/oder die Temperatur des Kühlmittels derart wählt, daß die
Kondensation im oberen Bereich des Wärmetauschers eintritt, und daß man das entstehende Kondensat an der Unterseite des
Wärmetauschers vollständig ableitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also das heiße Rauchgas
von unten in senkrecht zwischen den Wärmeübertragungsflächen angeordnete Rauchgas-Wärmetauscherkanäle eingeleitet und
unter Abkühlung nach oben geführt. Die Wandtemperatur nimmt ab einer bestimmten Höhe einen Wert an, der unterhalb der Siedetemperatur
des Wasser-Säuregemisches liegt, so daß sich von diesem Punkt an aufwärts ein Flüssigkeitsfilm bildet, weil in
zunehmendem Maße Wasser und Säure kondensieren. Es entsteht dabei eine Säure sehr schwacher Konzentration (ca. 750 mg Säu-
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re auf 1 1 Wasser). Durch die senkrechte Anordung der Wärmetauscherflächen
und die senkrechte Führung des Rauchgases fließt das Kondensat dem Rauchgasstrom entgegengesetzt
ab und benetzt auch die unten liegenden Wärmetauscherwandungen
mit einem Flüssigkeitsfilm, die wegen der noch hohen Rauchgastemperaturen normalerweise trocken bleiben wurden.
Durch das an der Wärmetauscherfläche herunterfließende,
schwach konzentrierte Kondensat wird vermieden, daß sich im Bereich der Taupunktsgrenze Ablagerungen und Verkrustungen
ergeben können. Diese treten normalerweise gerade im Taupunktsbereich dadurch ein, daß die Siedepunkte von Wasser
einerseits und schwefliger Säure bzw. Schwefelsäure andererseits verschieden sind (Wasser 373 K, Schwefelsäure
611 K). Aus diesem Grunde kondensiert die Schwefelsäure normalerweise bereits an einem tieferen Punkt als das Wasser,
so daß in dem Übergangsbereich zunächst hochkonzentrierte flüssige Säure entsteht. Das oberhalb dieses kritischen
Bereiches erzeugte Kondensat fließt jedoch entgegen der Richtung des Rauchgasstromes nach unten und spült
gerade in diesem kritischen Bereich die kondensierte Schwefelsäure und die kondensierte schweflige Saure ab und verdünnt
diese dabei. Dieser Spüleffekt verhindert somit wirkungsvoll eine Ablagerung und Verkrustung in diesem Bereich.
Vorteilhaft ist es weiterhin, daß das überhitzte Rauchgas
im unteren Teil des Wärmetauschers einen Teil des herabrieselnden Films wieder verdampft und bei seiner Aufwärtsströmung
mitschleppt. Dadurch wird das Rauchgas wegen der Ent-
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nähme von Verdampfungswärme und der Wasserdampfzufuhr
schneller auf die Tautemperatur abgekühlt. Die Durchmischung mit dem Wasserdampf fördert über Stoffaustausch
den Wärmetransport an die Wärmeübertragungsflächen. Das
Kondensat wird schließlich durch den langen Weg an der Wand entlang gut ausgekühlt, ehe es an der Unterseite
des Wärmetauschers vollständig abgeleitet wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen
sein, daß man die aus dem Wärmetauscher austretenden Gase im Verdampfer einer Wärmepumpe weiter abkühlt und
das entstehende Kondensat zur Spülung der Wärmeübertragungsflächen
des Wärmetauschers von oben nach unten über
diese fließen läßt. Diese zusätzliche Spülung mit dem weitergewonnenen Kondensat verstärkt die oben erläuterten
vorteilhaften Effekte, die beim Herabrieseln des Kondensats an den Wärmeübertragungsflächen eintreten.
Die nachfolgende Beschreibung eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Restwärmetauschers
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung, die einen im Schnitt widergegebenen Restwärmetauscher darstellt,
der näheren Erläuterung.
Der in der Zeichnung dargestellte Restgaswärmetauscher
weist eine den eigentlichen Wärmetauscher allseits umgebende Außenwand 1 auf, die aus Keramik, Metall, Kunststoff
oder einem anderen Material bestehen kann.
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Die Rauchgasableitung 2 eines in der Zeichnung nur schematisch
dargestellten Brenners 3 führt im unteren Teil des Wärmetauschers horizontal in einen Ringraum 4, der über
senkrechte, parallele Wärmeübertragungskanäle 5 mit einem oberen Ringsamme1raum in Verbindung steht. Aus diesem
Ringsammelraum 6 werden die Rauchgase über eine Ableitung 7 aus dem Wärmetauscher herausgeführt.
Der den Rauchgasen zur Verfügung stehende Raum wird durch Wärmeübertragungsflächen 8 begrenzt, die sich im Bereich
zwischen dem Ringraum 4 und dem Ringsammelraum 6 im wesentlichen senkrecht erstrecken und von unten nach oben
kontinuierlich durchgehen, ohne irgendwelche Vor- oder Rücksprünge aufzuweisen. Außerhalb des dem Rauchgas zur
Verfügung stehenden Volumens ist der Wärmetauscher mit einem Kühlmittel 9 gefüllt, welches über eine an der Oberseite
angeordnete Zuleitung 10 in den Wärmetauscher eingeleitet
und über eine an der Unterseite angeordnete Ableitung 11 aus diesem wieder entnommen werden kann. Es kann
sich beispielsweise um das rücklaufende Heizwasser einer Heizungsanlage handeln. Das Kühlmittel 9 steht in unmittelbarem
Wärmekontakt mit den Wärmeübertragungsflächen 8.
An der Unterseite des Ringraumes 4 ist eine Kondensatableitung 12' vorgesehen, die an der Unterseite des Ringraumes
4 gesammeltes Kondensat vollständig aus dem Wärmetauscher ableitet.
Im Betrieb des beschriebenen Wärmetauschers gelangt das eine hohe Temperatur aufweisende Rauchgas aus dem Brenner
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3 über eine Kesselanlage in den unteren Ringraum 4 und strömt von
diesem senkrecht nach oben, durch die Übertragungskanäle bis zum Hingsamme1raum 6, aus dem es den Wärmetauscher über die Ableitung
wieder verläßt. Bei dem von unten nach oben gerichteten Strom des Rauchgases wird dieses abgekühlt, wobei die dem
Rauchgas entzogene Wärme über die Wärmeübertragungsflächen dem Kühlmittel zugeführt wird. Die Länge der Wärmeübertragungskanäle
und/oder die Temperatur des Kühlmittels werden dabei so gewählt, daß im oberen Teil des Wärmetauschers
das Rauchgas unter den Taupunkt abgekühlt wird, so daß
Kondensatbildung eintritt. Das entstehende Kondensat rinnt auf der Innenseite der Wärmeübertragungskanäle an den Wärmeübertragungsflächen
nach unten und spült diese in der oben beschriebenen Weise, wobei einerseits eine Ablagerung
konzentrierter Säure an den Wärmeübertragungsflächen vermieden wird, während andererseits die Effektivität der Wärmeübertragung
durch das Kondensat erhöht wird. Das herabrinnende Kondensat spült die Wärmeübertragungsflächen der
Wärmeübertragungskanäle über deren gesamte Länge und sammelt sich schließlich an der Unterseite des unteren Ring-
raumes 4, wo es über die Kondensatableitung 12 vollständig
aus dem Wärmetauscher entfernt wird.
Falls das aus dem oberen Ringsammeiraum 6 austretende Rauchgas noch weiter abgekühlt wird, kann das dabei gewonnene
Kondensat ebenfalls zur Spülung der Wärmeübertragungsflächen eingesetzt werden, es wird dann in aus der Zeichnung
nicht ersichtlicher Weise in die Wärmeübertragungskanäle eingeleitet, so daß dieses zusätzliche Kondensat ebenfalls
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an den Wärmeubertragungsflächen herabrieselt.
Für die konstruktive Ausgestaltung des Wärmetauschers ist es wesentlich, daß an keiner Stelle Räume entstehen, in
denen sich ein herabrieselndes Kondensat sammeln kann. Es dürfen also keine Vertiefungen entstehen, sondern auch im
Bereich der Übergangsstellen von senkrechten in waagerechten Flächen muß dafür Sorge getragen werden, daß immer ein
vollständiger Abfluß des Kondensats gewährleistet ist. Andernfalls besteht bei einer Ansammlung von Kondensat an
irgendeiner Stelle die Gefahr, daß sich an einer solchen Stelle das Kondensat konzentriert. Eine solche Konzentration
kann dadurch eintreten, daß das Wasser infolge seines gegenüber den Säuren niedrigeren Siedepunktes unter dem
Einfluß der vorbeiströmenden Rauchgase oder bei Stillstand der Anlage eher verdampft als die Säuren. Die in solchen
Vertiefungen zurückbleibenden, konzentrierten Säuren wurden stark korrodierend wirken und an diesen Stellen eine
Zerstörung des Wärmetauschers einleiten. Es ist also auch bei Schweißnähten etc. darauf zu achten, daß derartige Ansammlungen
von Kondensat nicht auftreten können. Günstig ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn die Bodenfläche
des unteren Ringraums in Richtung auf die Kondensatableitung 12 ein wenig geneigt ist; geneigt werden vorzugsweise
auch andere im wesentlichen horizontale Grenzflächen, wie
dies aus der Zeichnung ersichtlich ist.
Wesentlich ist weiterhin, daß das Rauchgas zumindest in
dem Teil, wo seine Temperatur zu einer Kondensatbildung zu hoch ist, allseits von den mit dem Kühlmittel bespülten
Wärmeübertragungsflächen umschlossen ist. Andernfalls wür-
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de in diesem Bereich die Bildung von hochkonzentrierter Schwefelsäure mit den zerstörenden Korrosionsfolgen eintreten,
die bereits oben erläutert worden sind. Durch die sich über die gesamte Länge des Rauchgasweges erstreckenden
Wärmeübertragungsflächen wird jedoch erreicht, daß eine Spülung mittels des Kondensates über die gesamte Wärmeübertragungsfläche
bis zu einem Bereich eintritt, in dem normalerweise keine Kondensatbildung zu beobachten ist, so
daß die Wärmeübertragungsflächen über ihre gesamte Länge
gereinigt und gegen die unerwünschte Ablagerung konzentrierter Säure geschützt werden.
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Claims (2)
- HOEGER, STEL;L8E.ÖH:T:&. ^RTNER.P A T E* *Κ1 T "Λ N W Α ί." T E 0 ,C Z Z U OUHLANDSTRASSB 14 C D 7000 STUTTGART 1A 44 957 U Anmelderin: Deutsche Forschungs-u - 183 und Versuchsanstalt30. April 19 82 für Luft- und Raumfahrt e.V.5300 BonnPatentansprüche :Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus Rauchgasen, bei welchem man die Rauchgase in einem Wärmetauscher mit einem Kühlmittel über Wärmeübertragungsflächen in Kontakt bringt, dadurch die Bestandteile des Rauchgases teilweise kondensiert und das Kondensat ableitet, dadurch gekenn ze i chnet , daß man die Rauchgase im wesentlichen senkrecht von unten nach oben längs mindestens einer durchgehenden Wärmeübertragungsfläche durch den Wärmetauscher leitet, daß man die Länge des Wärmetauschers und/oder die Temperatur des Kühlmittels derart wählt, daß die Kondensation im oberen Bereich des Wärmetauschers eintritt, und daß man das entstehende Kondensat an der Unterseite des Wärmetauschers vollständig ableitet.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die aus dem Wärmetauscher austretenden Gase im Verdampfer einer Wärmepumpe weiter abkühlt und das entstehende Kondensat zur Spülung der Wärmeübertragungsflächen des Wärmetauschers von^oben nach unten über diese fliessen läßt.
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