DE3333764A1 - Keramischer rekuperator - Google Patents

Description

- 4 - 14 .09 .1983

KXR/Dr.We/Sc
PA 3323

DIDIER-WERKE AG
Lessingstraße 16-18
6200 Wiesbaden

Keramischer Rekuperator

Die Erfindung betrifft einen keramischen Rekuperator mit übereinander angeordneten Rekuperatorrohren.

Derartige Rekuperatoren dienen dazu, die Abgaswärme aus stark verschmutzten Abgasen hoher Temperaturen mittels Vorwärmung von Luft oder anderen nicht brennbaren, gasförmigen Medien zurückzugewinnen. Die optimale Arbeitsweise der keramischen Rekuperatoren hängt insbesondere von der guten Abdichtung der die Gase führenden Rekuperatorrohre, der mechanischen Festigkeit der Rekuperaturrohre und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Rißbildung, der Ablagerung von mit den heißen Gasen mitgeführtem Flugstaub und der chemischen Verschleißfestigkeit des keramischen Materials ab.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, den Rekuperator so zu konstruieren, daß in vertikaler Richtung einerseits und in horizontaler Richtung andererseits eine gute Dehnungskompensation gewährleistet ist, daß eine optimale Abdichtung der zusammengesetzten Rohre erfolgt, daß der Rekuperator auf der Abgasseite in einfacher Weise zu reinigen ist und daß das Abdichten an den Eintritts- und Austrittsstellen der Rauchgase gegenüber den vorzuwärmenden Medien optimal erreicht ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das eine Rohrende der Rekuperatorrohre eine ringförmige Dichtfläche aufweist, an die sich ein konischer ringförmiger Zapfen anschließt und/oder daß das andere Rohrende mit einem quadratischen Flansch versehen ist, in den eine im Längsschnitt treppenförmig für den Zapfen des anderen Rohrendes passende Abdichtung eingearbeitet ist.

Das für den Rekuperator bestimmte Rohr ist einseitig mit einem quadratischen Flansch versehen. Am entgegengesetzten Ende ist das Rohr mit einem runden, konisch ausgebildeten Zapfen versehen, der in den Flansch eines anderen Rohres als Abdichtstelle paßt. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Rohres besteht darin, daß die treppenförmige Abdichtung der Rekuperatorrohre zwei Stufen aufweist, wobei die obere Stufe aus einer senkrechten Fläche und aus einer horizontalen, ringförmigen, geschliffenen Auflagefläche gebildet wird und die sich anschließende Stufe eine konisch nach innen weisende Fläche und eine ringförmige Dichtfläche besitzt, die bis zur Rohrinnenwand der Rekuperatorrohre reicht. Die Dichtung ergibt sich in folgender Weise: Die geschliffene Auflagefläche wird von zwei vertikalen Dichtfugen, die mit Dichtmaterial gefüllt sind, gegen Verunreinigung geschützt. Die konisch ausgebildete Dichtfuge und die auf der heißen Seite liegende horizontale Fuge werden mit Kitt gefüllt.

Vorteilhaft haben die Rohre innen einen runden und außen entweder einen runden oder achteckigen Querschnitt.

Der achteckige Querschnitt gibt dem Rohr etwa eine 6 % größere Außenfläche als der runde Querschnitt.

Vorgesehen ist ferner, daß die sich beim Zusammenfügen zweier Rohre ergebende Dichtfuge zwischen dem konischen Zapfen und der treppenförmigen Abdichtung mit Dichtmaterial gefüllt ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in einigen Rohren seitlich ein rechteckiges Fenster angeordnet.

Zum Eintritt der Abgase haben einige Rohre seitlich je eine schlitzförmige Öffnung.

Vorteilhafterweise bestehen die Rohre aus Siliciumcarbid SiC.

Der keramische Baustoff soll eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, resistent gegen chemische Angriffe und gasdicht sein. Zudem muß der Werkstoff unempfindlich gegen Temperaturwechsel sein, d.h. er darf bei schnellen Temperaturänderungen nicht rißanfällig sein. Der feuerfeste Baustoff SiC vereinigt in sich im wesentlichen diese Eigenschaften.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Rohre lagenweise übereinander angeordnet sind und jede Lage aus versetzt zueinander gebildeten Rohrreihen besteht, wobei die entstehenden Rohrlücken mit entsprechenden Paßstücken ausgefüllt sind.

Vorteilhafterweise sitzt die unterste Rohrlage auf einer Lochplatte.

Der Rekuperator ist aus mehreren Rohrlagen aufgebaut. Die unterste Rohrlage wird auf eine aus Stahl oder Gußeisen bestehende Lochplatte montiert. Die Rohre dieser Lage können seitlich je eine, wie oben erwähnt, rechteckige Öffnung zum Austritt der Abgase haben. Die quadratischen Flansche der einzelnen Rohrstücke bilden am oberen Ende eine geschlossene Platte. Auf diese Platte wird die nächste Rohrlage aufgesetzt.

Die Rauchgase strömen am oberen Teil des Rekuperators in eine mit feuerfestem Material ausgekleidete Umlenkkammer. Die oberen Rohrteilstücke des Rohrbündels sind so ausgebildet, daß die Zwischenräume um die Rohre mit feuerfestem

Kitt gefüllt werden können. Dasselbe gilt für den Übergangsbereich am unteren Ende zum Schutz der Bodenplatte gegen Temperatureinwirkung. Die einzelnen Rohrlagen sind so aufgebaut, daß die Rohre reihenförmig versetzt nebeneinander angeordnet sind, so daß sich Wandlücken ergeben. Diese Wandlücken werden mit Paßstücken zugestellt. Die Paßstücke sind in Längsrichtung halbe Rohre. Die halben Rohröffnungen werden entweder mit feuerfester Masse gefüllt oder die Paßstücke werden von vornherein als Vollstücke gefertigt.

Vorteilhafterweise wird der freie Raum um die Rohre dicht über der darunterliegenden Rohrlage mit feuerfestem Kitt gefüllt. Die Fugen der Berührungsstellen der Flansche werden mit Filzstreifen abgedichtet.

Während der Montage der nächsten Rohrlage wird der freie Raum um die Rohre ca. 20 bis30 mm hoch mit feuerfestem Kitt gefüllt. Die Nahtstellen an den Berührungsstellen der Flansche werden mit 56 mm hohen Filzstreifen aus temperaturbeständiger Faser abgedichtet. Die Filzstreifen werden einseitig angeklebt und während des Einbaus bis auf 2 mm zusammengedrückt. Damit ist auch der horizontalen Dehnung der Flansche Rechnung getragen. Die vertikale Dehnung des Rohrbündels erfolgt von der isolierten Stahlplatte nach oben in eine Randweichpackung aus temperaturbeständiger Faser, die mit feuerfesten Steinen gehalten wird. Die beschriebenen Dichtstellen sind so ausgebildet, daß das Rohrbündel sich frei von unten nach oben in den weichen Dichtrand aus hitzebeständigem Fasermaterial bewegen kann. Die Horizontaldehnung der Flansche wird durch die beschriebenen Filzeinlagen, die sich an jedem Flansch befinden, aufgenommen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Rekuperators besteht darin, daß die Rohre in einem mit einer Lufteintritts- und einer Luftaustrittsöffnung versehenen Gehäuse angeordnet sind und das Gehäuse oben mit einer abnehmbaren Rauchgas-

einströmhaube bedeckt ist und/oder am unteren Ende der Rohre mit einer Auffangkammer abgeschlossen ist.

Das Rekuperatorgehäuse hat eine rechteckige Bauform. Paßt der Rekuperator in seiner Höhe z.B. nicht in eine vorgegebene Halle, dann wird er in zwei gleichgroße Hälften aufgeteilt, die unmittelbar nebeneinander angeordnet werden. Für den zweiteiligen Rekuperator sind für jedes einzelne Teil die Konstruktionsmerkmale gültig, wie diese für den einteiligen Rekuperator beschrieben wurden. Jedoch kehrt sich beim weniger heißgehenden Rekuperatorteil die Einström- in die Ausströmseite um.

Bezüglich der Temperaturbelastung und des Anspruches auf Gasdichte stellt die Umkehrung der Strömungsrichtung für den weniger heißgehenden Teil keine besondere Problematik dar.

Die Ein- bzw. Austrittsöffnungen für das wärmeabgebende und wärmeaufnehmende gasförmige Medium werden so gewählt, daß sich eine Kreuz-Gegenströmung ausbildet. Die Anordnung der öffnungen ist aber auch so möglich, daß sich entweder eine Kreuz-Gleichströmung oder nur eine Kreuzströmung ausbildet.

Die Rauchgase strömen durch die Rohre. Die zusammengesetzten Rohre bilden glattwandige, runde Rohrwände, die mit entsprechenden Werkzeugen leicht von Ansatz befreit werden können. Zur Reinigung des Rohrbündels hat der Rekuperator oben eine abnehmbare Rauchgaseinströmhaube und am unteren Ende eine Auffangkammer (Reinigungskammer). Die Kammer hat gasdicht schließbare öffnungen zur Entnahme der Verunreinigungen. Die Rohre münden am unteren Ende offen in die Reinigungskammer.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich das Rohrbündel infolge guter Dehnungskompensation ohne zerstörende Behinderung sich frei bewegen kann,

daß sich eine optimale Abdichtung der zusammengesteckten Rohre ergibt, daß sich der Rekuperator auf der Abgasseite in einfacher Weise reinigen läßt und daß an den Eintritts- und Austrittsstellen der Rauchgase die Abdichtung gegenüber dem vorzuwärmenden Medium (Luft) vollkommen erreicht ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen erläutert.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines keramischen Rohres mit den Draufsichten A und B der beiden Rohrenden,

Fig. 2 die Dichtung zweier zusammengesteckter Rohre,

Fig. 3 Anordnung einer Rohrlage in Draufsicht,

Fig. 4 ein Rohr mit Fenster,

Fig. 5 ein Paßstück mit Draufsicht C des oberen Rohrendes,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform eines Rohres mit Draufsicht D,

Fig. 7 einen Längsschnitt eines keramischen Rekuperators, Fig. 8 einen Querschnitt des Rekuperators aus Fig. 7^

Fig. 9 eine andere Ausführungsform eines keramischen Rekuperators,

Fig.10 einen Querschnitt des Rekuperators aus Fig. 9.

In Fig. 1 ist der Längsschnitt eines keramischen Rohres 14 dargestellt mit den Draufsichten A, B der beiden Rohrenden 1, Der Innenquerschnitt 13 des eigentlichen Rohres 14 ist rund und

- 10 -

der Außenquerschnitt 36 achteckig. Am oberen Ende 4 ist ein quadratischer Flansch 5 angefügt. Das untere Ende ist als ringförmiger, konischer Zapfen 3 ausgebildet, an den sich eine ringförmige Dichtfläche 2 anschließt. Im Inneren des quadratischen Flansches 5 ist die Abdichtung 6 angebracht. Sie besteht aus zwei Stufen 7, 8. Die obere Stufe 8 besteht aus einer senkrechten Fläche 9 und einer geschliffenen, ringförmigen Auflagefläche 10, an die sich die zweite Stufe in Form einer nach innen konisch geneigten Fläche 11 und einer waagerechten Dichtfläche 12 anschließt.

Fig. 2 zeigt in Schnittansicht hälftig zwei zusammengesteck-- ■ te Rohre 14, 16. Der Zapfen 3 des Rohres 14 wird in die Abdichtung 6 des Rohres 16 gesteckt. Die ringförmige Dichtfläche 2 liegt auf der geschliffenen Auflagefläche 10 auf. Die entstehende Dichtfuge 15 ist mit Dichtmaterial 17 gefüllt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung mehrerer Rohre 19 zu einer Rohrlage 22 in Draufsicht. Die quadratischen Flansche 5 sind zu versetzt nebeneinanderliegenden Rohrreihen 23 aneinandergefügt. Die entstehenden Randlücken 24 werden mit Paßstücken ausgefüllt.

In Fig. 4, 5 und 6 sind weitere Ausführungsformen von Rekuperatorrohren dargestellt. Fig. 4 zeigt ein Rekuperatorrohr mit einem Fenster 18 zum Austritt der Abgase. Das Paßstück mit Draufsicht C zum Ausfüllen der Randlücken 24 der Rohrlage 22 in Fig. 3 ist in Fig. 5 dargestellt. Das Paßstück 25 ist in Längsrichtung ein halbes Rohr. Die halbe Rohröffnung wird entweder mit feuerfester Masse gefüllt oder das Paßstück wird als Vollstück gefertigt. Fig. 6 zeigt ein verkürztes Rohr 37 mit Draufsicht D mit Zapfen 38. Diese Art Rohre sind für die oberste Lage des Rohrbündels im Rekuperator vorgesehen, die in die Rauchgaseinströmhaube 31 von Fig. 7 einmünden.

- 11 -

Fig. 7 zeigt einen möglichen Aufbau eines Rekuperators 39. Er besteht aus einem Gehäuse 33 mit Lufteintritts- 34 und Luftaustrittsöffnung 35. In dem Gehäuse 33 ist das Rohrbündel 39 untergebracht. Das Rohrbündel 39 besteht aus mehreren Rohrlagen 29, wie sie in Fig. 3 beschrieben sind. Das Gehäuse 33 ist oben mit einer abnehmbaren Rauchgaseinströmhaube 31 und unten mit einer Auffangkammer 32 abgeschlossen. Die Rohre der untersten Rohrlage 26 sind auf einer Lochplatte aus Stahl oder Guß montiert. Zur Abdichtung der Eintritts- und Austrittsstellen der Abgase gegenüber dem vorzuwärmenden Medium wird der freie Raum 28 der Rohrlage 26 mit feuerfestem Kitt gefüllt. Die Fugen 30 an den Berührungsstellen der Flansche werden mit Filzstreifen aus ca. 4 mm dicker temperaturbeständiger Faser abgedichtet. Die Filzstreifen werden einseitig angeklebt und während des Einbaus auf ca. 2 mm zusammengedrückt. Damit ist der horizontalen Dehnung der Flansche Rechnung getragen.

Die vertikale Dehnung des Rohrbündels 39 erfolgt von der isolierten Stahlplatte nach oben in einer Randweichpackung aus temperaturbeständiger Faser, die mit feuerfesten Steinen 40 gehalten wird.

Die oberste Rohrlage 4J des Rohrbündels 39 besteht aus den in Fig. 6 dargestellten Rohren 37 ohne quadratischen Flansch.

Die heißen Rauchgase strömen durch die Gaseintrittsöffnung in die Rauchgaseintrittshaube 31 und von dort in das Rohrbündel 39. Die Rauchgaseintrittshaube ist mit Feuerfestmaterial umkleidet. Die Rauchgase strömen durch die Rohre nach unten. Die zusammengesetzten Rohre bilden glattwandige, runde Rohrwände, die mit entsprechenden Werkzeugen leicht von Ansätzen befreit werden können. Die abgekühlten Rauchgase werden in die Auffangkammer 32 geleitet und dann durch die Gasaustrittsöffnung 43 abgezogen.

Zur Reinigung des Rohrbündels 39 hat der Rekuperator oben eine abnehmbare Rauchgaseinströmhaube 31 und am unteren Ende

- 12 -

eine Auffangkammer 32. Die Rohre münden am unteren Ende offen in die Reinigungskammer.

Zur Stabilisierung des Rohrbündels 39 sind in bestimmten Abständen feuerfeste Schichten 44 vorgesehen.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch die Rohrlagen des Rekuperators in Fig. 7.

In Fig. 9 und 10 ist eine andere Ausführungsform eines Rekuperators dargestellt. Ist beispielsweise die verfügbare Höhe eines Raumes zu klein für den Rekuperator, so kann er in zwei Hälften 45 und 46 aufgeteilt werden, die unmittelbar nebeneinander angeordnet werden. Für den in Fig. 9 gezeigten zweiteiligen Rekuperator sind die gleichen Konstruktionsmerkmale gültig, wie diese für den einteiligen Rekuperator beschrieben wurden. Es kehrt sich jedoch beim weniger heißen Rekuperatorteil die Einströmin die Ausströmseite um.

Die unterste Rohrlage 47 der beiden Rekuperatorteile 45 und 46 besteht aus den in Fig. 4 dargestellten Rohren 18 mit Fenstern Diese Rohre dienen dazu, die heißen Abgase von dem Rekuperatorteil 46 zu dem anderen Rekuperatorteil 45 zu lenken. Die unter den Rohren 18 angeordneten Auffangkammern 48 und 49 nehmen die festen Verunreinigungen auf und können in einfacher Weise gereinigt werden. Die Rekuperatorteile 45 und 46 sind über die Rohre 50 und 51 verbunden und besitzen jeweils eine separate Rauchgaseintritts- 52 bzw. Rauchgasaustrittshaube 53. Ansonsten sind die Rohrbündel in der gleichen Weise zusammengesetzt, wie beim einteiligen Rekuperator in Fig. 7. Fig. 10 zeigt im Querschnitt die beiden Rekuperatorteile 45 und 46.

Die Ein- bzw. Austrittsöffnungen für das \irärmeabgebende und wärmeaufnehmende gasförmige Medium werden so gewählt, daß sich eine Kreuz-Gegenströmung ausbildet. Die Anordnung der Öffnungen ist aber auch so möglich, daß sich entweder eine Kreuz-Gleichströmung oder nur eine Kreuzströmung ausbildet.

/13 - Leerseite

Claims (11)

14 .09 .1983 PA 3323 DIDIER-WERKE AG Lessingstraße 16-18 6200 Wiesbaden Keramischer Rekuperator Patentansprüche :

1.) Keramischer Rekuperatur mit übereinander angeordneten Rekuperatorrohren, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Rohrende (1) der Rekuperatorrohre (14, 19) eine ringförmige Dichtfläche (2) aufweist, an die sich ein konischer, ringförmiger Zapfen (3) anschließt und daß das andere Rohrende (4) mit einem quadratischen Flansch (5) versehen ist, in den eine im Längsschnitt treppenförmig, für den Zapfen (3) des anderen Rohrendes (1) passende Abdichtung (6) eingearbeitet ist.

2. Keramischer Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die treppenförmige Abdichtung (6) der Rekuperatorrohre (14, 19) zwei Stufen aufweist, wobei die obere Stufe (7) aus einer senkrechten Fläche (9) und aus einer horizontalen, ringförmigen, geschliffenen Auflagefläche (10) gebildet wird und die sich anschließende Stufe (8) eine konisch nach innen weisende Fläche (11) und eine ringförmige Dicht- ■ fläche (12) besitzt, die bis zur Rohrinnenwand (13) der Rekuperatorrohre (14, 19) reicht.

3. Keramischer Rekuperator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (.19) innen einen runden und außen entweder einen runden oder achteckigen Querschnitt haben.

4. Keramischer Rekuperator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich beim Zusammenfügen zweier Rohre (14, 16) ergebende Dichtfuge (15) zwischen dem konischen Zapfen (3) und der treppenförmigen Abdichtung (6) mit Dichtmaterial (17) gefüllt ist.

5. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einigen Rohren (20) seitlich ein rechteckförmiges Fenster (18) angeordnet ist.

6. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (14, 19) aus SiC bestehen.

7. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (19) lagenweise übereinander angeordnet sind und jede Lage (22) aus versetzt zueinander gebildeten Rohrreihen (23) besteht, wobei die entstehenden Rohrlücken (24) mit entsprechenden Paßstücken (25) ausgefüllt sind.

8. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Rohrlage (26) auf einer Lochplatte (27) sitzt.

9. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum (28) um die Rohre (19) dicht über der darunterliegenden Rohrlage (29) mit feuerfestem Kitt gefüllt wird.

10. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fugen (30) der Berührungsstellen der Flansche (5) mit Filzstreifen abgedichtet werden.

11. Keramischer Rekuperator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (19) in einem mit einer Lufteintritts- (34) und einer Luftaustrittsöffnung (35) versehenen Gehäuse (33) angeordnet sind und das Gehäuse (33) oben mit einer abnehmbaren Rauchgaseinströmhaube (31) bedeckt ist und/oder am unteren Ende der Rohre (19, 26) mit einer Auffangkammer (32) abgeschlossen ist.