Wärmetausehervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschervorrichtung mit einer Anzahl von Wärmetauscherabschnitten
und einer Verbrennungskammer.
Stationäre Wärmetauscher- oder Verbrennungsvorrichtungen nach dem Wärmeregenerationsprinzip sind beispielsweise
aus der US-PS 3 895 918 bekannt. Bei dieser Verbrennungs- und Wärmetauschervorrichtung ist
eine in der Mitte angeordnete Hochtemperatur-Verbrennungskammer vorgesehen, die mit drei oder mehr Wärmetauscherabschnitten
in Verbindung steht, die um die Verbrennungskammer herum angeordnet sind. Jeder Wärmetauscherabschnitt
dieser Vorrichtung schließt eine große Anzahl von Wärmespeicherelementen ein, die zwischen
zwei im wesentlichen vertikalen, mit öffnungen versehenen Haltewänden, eingeschlossen sind, die in den
meisten Fällen aus Metall bestanden. Einlaß- und Auslaßventile sind mit jedem Wärmetauscherabschnitt an
der Ober- und Unterseite verbunden und die Gaströmung verlief im allgemeinen horizontal.
Es ist weiterhin eine Wärmetauschervorrichtung der eingangs genannten Art aus dem US-Patent
(US-Patentanmeldung 06/391 110 vom 21. Juni 1982) bekannt, bei der vertikal ausgerichtete Verbrennungsoder Wärmetauscherabschnitte verwendet werden, die entweder
in benachbarten keilförmigen Formen oder in einer allgemein L-förmigen Form angeordnet sind. Hierbei sind
Einlaß- und Auslaßkanäle und entsprechende Einlaß- und Auslaßventile jedem Wärmetauscherabschnitt in der Nähe
seines unteren Endes in den Räumen unterhalb der Wärme-
tauscherbetten zugeordnet. Eine gemeinsame Verbrennungskammer war oberhalb aller dieser Wärmetauscherabschnitte
angeordnet. Die Gasströmung erfolgte in der Hauptsache vertikal durch jeden vertikalen Wärmetauscherabschnitt
und horizontal durch die Verbrennungskammer. Um zu vermeiden, daß industrielle Abgas- oder Abluftströmungen
die Hochtemperatur-Verbrennungszone im wesentlichen umgehen, wurde die nach oben strömende Abgas- oder Abluftströmung in Form eines eine relativ hohe Geschwindigkeit
aufweisenden Strahls in den oberen Teil der Verbrennungszone eingeleitet. Dies wurde dadurch erreicht, daß für jeden
Wärraetauscherabschnitt eine Abdeckung mit einer Öffnung vorgesehen wurde, die speziell für diesen Zweck ausgebildet
war. Der Strahl vergrößerte die Turbulenz in dem Verbrennungsbereich zur Erzielung einer besseren Vermischung
und trug dazu bei, eine relativ unbehinderte seitliche Strömung des nicht verarbeiteten oder unvollständig
verarbeiteten Abgases an dem unteren Bereich der Verbrennungszone von einem Wärmetauscherabschnitt zur Oberseite
des benachbarten Wärmetauscherabschnittes zu verhindern.
Obwohl diese Wärmetauschervorrichtung recht befriedigende
Eigenschaften aufweist, weist sie einen relativ komplizierten Aufbau auf. .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauschervorrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die bei vereinfachtem Aufbau eine
einwandfreie Verbrennung und Verarbeitung der Abgasoder Abluftströmungen ermöglicht und damit einen verbesserten
Wirkungsgrad ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
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Patentanspruchs 1 bzw. 11 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verhinderung
einer direkten Gasströmung zwischen der Oberseite zweier benachbarter Wärmetauscherabschnitte wird sichergestellt,
daß bei einfachem Aufbau eine vollständige Verbrennung der Abluft- oder Abgasströmungen erreicht wird,
so daß sich ein verbesserter Wirkungsgrad ergibt. Gemäß einer ersten Ausführungsform sind benachbarte Wärmetauscherabschnitte
mit Abdeckungen versehen, die Bereiche freilassen, die auf den gegenüberliegenden Seiten zweier
benachbarter Wärmetauscherabschnitte angeordnet sind, während gemäß einer weiteren Ausführungsform Kanaleinrichtungen
vorgesehen sind, durch die hindurch die Abgas- oder Abluftströmungen auf ihrem Weg von einem Wärmetauscherabschnitt
zum anderen hindurchströmen müssen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine teilweise geschnittene und
teilweise weggebrochen dargestellte Seitenansicht einer Ausführungsform
der Wärmetauschervorrichtung,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Ausführungs
form der Wärmetauschervorrichtung nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie
H-II nach Fig. 1,
Figur 3 eine teilweise weggebrochene Drauf
sicht auf die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung,
Figur 4 eine teilweise geschnittene und teil
weise weggebrochen dargestellte Seitenansicht der Ausführungsform der
Wärmetauschervorrichtung nach Fig. 3,
In den Figuren 1 und 2 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung
gezeigt, die eine Anzahl von Wärmetauscherabschnitten 12,
13 und 14 einschließt, die in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform
sind die Verbrennungs- oder Wärmetauscherabschnitte von allgemein wannenförmiger Konstruktion und weisen einen
allgemein kettenlinienförmigen Querschnitt auf. Jeder Wärmetauscherabschnitt
weist eine äußere Metallumhüllung 12a, 13a oder 14a auf, die mit einem überzug oder einer Schicht
aus feuerfestem Material 12b,13b und 14b ausgekleidet ist.
Jeder Wärmetauscherabschnitt weist horizontale Kanten auf, die auf I-Trägern ruhen oder an diesen befestigt sind, die
an den Oberseiten von Säulen 11 befestigt sind. Innerhalb jedes Wärmetauscherabschnittes 12,13 und 14 ist auf jeweiligen
mit öffnungen versehenen Metallplatten 12c,13c und 14c ein
Bett 15 aus keramischen Wärmespeicherelementen angeordnet. Unterhalb jeder der perforierten Metallplatten 12c,13c und
14c befindet sich ein Raum 28, der über Einlaß- und Auslaßspeisekanäle 20 bzw. 17 und Einlaßventile 24,22 auf gegenüberliegenden
Seiten der Vorrichtung mit Haupt-Einlaß- und Auslaßkanälen 18 und 16 in Verbindung steht. Dem Hauptein-
laßkanal wird eine Abgas- oder Abluftströmung von einem
Industrieverfahren über einen Kanal 26 und eine wahlweise vorgesehene Einlaßpumpe 27 zugeführt. Der
Hauptauslaßkanal 16 ist mit einem Auslaßgebläse 25 gekoppelt, das mit einem Kamin oder einer anderen geeigneten
Einrichtung zur Ableitung der verarbeiteten, gereinigten Abgas- oder Abluftströmung in die Umgebungsatmosphäre verbindbar ist.
Oberhalb der drei Wärmetauscherabschnitte 12,13 und 14 befindet sich ein allgemein rechteckiger Raum für die
Verbrennungskammer 21, die durch eine Umschließung 23 umgrenzt ist, die von Metallplatten 23a umgeben ist und
mit einem feuerfesten Überzug oder einer Schicht 23b ausgekleidet ist. Die Verbrennungskammer steht mit den Wärmetauscherabschnitten
12,13 und 14 in Verbindung und wird über einen Brenner 19 geheizt, der durch eine Seitenwand
der Umschließung 23 hindurch vorspringt und von außen mit Brennstoff gespeist wird. Die Umschließung 23
ist mit Hilfe von Schrauben, Muttern oder anderen geeigneten Einrichtungen lösbar an den horizontalen Kanten der
Umhüllungen 12a,12b,12c der Wärmetauscherabschnitte 12,
13 und 14 befestigt.
Lufträume oder Füllkammern 12d,13d,14d sind jeweils oberhalb der Wärmetauscherbetten 15 angeordnet und teilweise
durch Platten 12e,13e und 14e abgedeckt. Diese Platten können aus feuerfestem Gußmaterial hergestellt und so bemessen
sein, daß sie die Füllkammer nicht vollständig einschließen. Wie dies aus Fig. 2 zu erkennen ist, weist die
Platte 12e eine beträchtlich kleinere Länge als die Länge der Füllkammer auf, so daß sich ein freier Raum zwischen
dem Ende der Platte ergibt, durch den hindurch Gas entwe-
der von oder zu dem Wärmetauscherbett 15 strömen kann. Andererseits ist die Platte 13e so angeordnet, daß sich
ein freier Raum an der Oberseite (gemäß Fig. 2) ergibt. Die Platte 14e ist in ähnlicher Weise wie die Platte 12e
angeordnet, wobei sich der freie Raum an der Unterseite (gemäß Fig. 2) befindet. Diese abgestufte Anordnung der
Öffnungen bewirkt eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit, daß irgendein Teil der Abluft- oder Abgasströmung,
die durch ein Wärmetauscherbett 15 in einem der Wärmetauscherabschnitte 12,13 und 14 nach oben strömt, einem
relativ kurzen Gasweg horizontal in Richtung auf die Unterseite der Verbrennungskammer 21 zum benachbarten Wärmetauscherabschnitt
folgen kann, wobei sie in diesem Fall in der Kammer 21 für eine Zeit bleiben würde, die nicht
für eine vollständige Verbrennung ausreicht. Dadurch, daß die Weglängen für alle ausströmenden Gasteilchen gleichförmig
gemacht werden, verweilt die Abgas- oder Abluftströmung in der Hochtemperatur-Verbrennungszone für eine
gleichförmigere Zeitdauer, so daß eine vollständigere
Verbrennung der Abgas- oder Abluftströmung gefördert wird.
Obwohl die Platten 12e,13e und 14e als rechteckförmig
dargestellt sind, besteht keine Notwendigkeit darin, daß sie irgendeine spezielle Form aufweisen. Tatsächlich
könnte der wirksame Gasweg genauso gleichförmig gemacht werden, wenn die Form der öffnungen dreieckig gemacht
würde, beispielsweise durch Abschneiden einer der Ecken an den Enden der Platte. Es könnten auch andere Formen
von Platten verwendet werden, oder eine Platte könnte möglicherweise so geformt werden, daß sie die gesamte
Oberseite eines Wärmetauscherbettes überdeckt, jedoch eine Anzahl von Perforationen aufweist, die im Bereich eines
Endes ausgebildet sind.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung, die so ausgebildet
ist, daß sie den Vorteil einer vertikalen Konstruktion mit in einer Reihe angeordneten Wärmetauscherabschnitten
aufweist und dennoch das Problem einer unzureichenden Oxidation aufgrund eines Umgehens der Verbrennungskammer
durch eine verkürzte Strömung der Abgas- oder Abluftströmung von einem Wärmetauscherabschnitt zum benachbarten
Abschnitt vermeidet. Bei dieser Ausführungsform der Wärmetauschervorrichtung, die allgemein mit der Bezugsziffer
30 bezeichnet ist, sind drei allgemein vertikale zylindrische Säulen 32,33,34 vorgesehen, die miteinander
ausgerichtet sind. Jede Säule weist eine äußere metallische Umhüllung 31 auf, die mit einer Schicht 35
aus feuerfestem Material auf der Innenoberfläche ausgekleidet ist. Jede Säule schließt eine horizontale perforierte
Metallplatte 40 ein, auf der ein Bett von keramischen Wärmespeicherelementen 42 angeordnet ist. Der
Pegel der Wärmespeicherelemente 42 ist bezogen auf die Gesamthöhe der Säule relativ niedrig gehalten. Beispielsweise
nimmt das Wärmetauscherbett bei der dargestellten Ausführungsform ungefähr 22% des Gesamtvolumens der Säule
34, gemessen von der Platte 4O1 ein. Dies heißt mit anderen
Worten, daß die Höhe des Stapels ungefähr 30% der Höhe der Säule von der perforierten Platte 40 bis zum
unteren Ende eines Kanals 56 einnimmt. Hierdurch verbleibt eine große Füllkammer 44, die durch die gesamte
Abgas- oder Abluftströmung durchquert wird, bevor sie in den Kanal 56 eintritt.
Hierbei wird eine maximale Gasgeschwindigkeit von etwa
229 m pro Minute bei 760 0C angenommen. Der obere
Teil des Raumes 44 steht mit den entsprechenden oberen Teilen der Räume in den Säulen 33 und 32 über
den einen relativ breiten und niedrigen Rechteckquerschnitt aufweisenden Kanal 56 in Verbindung, der in
einem leitungsartigen Kopplungsteil 62 ausgebildet ist. Beispielsweise sollte das Verhältnis der Höhe
zur Breite des Kanals 56 im Verhältnisbereich von 1:2 liegen. Ein Brenner 58 durchdringt die Seitenwand
des mittleren Wärmetauscherabschnittes 31, wobei die Flamme dieses Brenners den größten Teil des
Gasweges durch den Kanal 56 erreicht. Der Brenner wird mit Brennstoff von der Außenseite gespeist und
kann die Temperatur in dem Gaspfad durch den Kanal auf den Temperaturbereich von 426 bis 982 0C anheben.
Eine Tür 57 ist vorgesehen, um einen Zugang an das Innere der Säule 33 zu ermöglichen.
In die eingeschlossenen Räume 43 unterhalb der perforierten Platten 40 jeder Säule sind die Enden von
Speisekanälen 37,39 und 41 eingeführt. Diese Kanäle stehen mit dem Hauptauslaßkanal 38 über vertikale Kanalabschnitte
45,60 und 61 in Verbindung, die jeweilige Ventilsteuereinrichtungen 52,53 und 54 einschließen,
Der Auslaßkanal 38 ist mit einem Auslaß-Zentrifugalgebläse 55 verbunden, das von einem Motor 59 angetrieben
wird und dessen Ausgang mit einem (nicht gezeigten) Kamin oder irgendeiner anderen geeigneten Einrichtung
zur Ableitung der gereinigten Abgasströmung verbunden ist.
Die horizontalen Speisekanäle 37,39 und 41 sind weiterhin über vertikale Kanalabschnitte 46,47,48, in denen
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Ventilsteuerteilbaugruppen 49,50 und 51 angeordnet
sind, mit dem Haupteinlaßkanal 36 verbunden.
Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführungsform
der Erfindung eine gleichförmigere Geschwindigkeit für die Abgas- oder Abluftströmung erreicht wird,
die von der Oberseite eines der Stapel von Wärmetauscherelementen 42 in einem Warmetauscherabschnitt
zur Oberseite des entsprechenden Stapels in einem angrenzenden Warmetauscherabschnitt strömt. Weiterhin
verläuft diese Strömung durch eine Flamme in einem relativ· engen (in Höhenrichtung gesehen) Kanal 56,
wodurch ein gleichförmiger Temperaturgradient in diesem Kanal von der Oberseite zur Unterseite befördert
wird, was dazu beiträgt, daß eine vollständigere Verbrennung aller durch den Kanal strömenden Gase sichergestelIt
wird.
Im Gegensatz zu anderen Konstruktionen sind bei dieser Ausführungsform keine Abdeckplatten mit einer öffnung
erforderlich, weil bei dieser Auslegung der Verbrennungs-
oder Wärmetauschervorrichtung eine gleichförmigere Gasgeschwindigkeit gefördert wird und die
Wärmeverteilung in der Verbrennungszone gleichförmiger
ist. Es ist tatsächlich so, daß die Gasgeschwindigkeit in der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 so niedrig
gemacht werden kann, wie dies für eine vollständige Verbrennung der Abgas- oder Abluftströmung wünschenswert
ist, die von der Vorrichtung bearbeitet wird.
Bei der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsform muß der Querschnitt des Kanals 56 nicht unbedingt
ein langgestrecktes Rechteck sein, wie dies dargestellt ist. Bei kleineren Einheiten könnteder Querschnitt
des Kanals 56 im wesentlichen quadratisch sein, um eine Anpassung an die kleinere Flamme eines
kleineren Brenners zu erzielen.
Weil die Säulen in den Figuren 3 und 4 zylindrisch sind, können weiterhin, wenn Säulen mit unterschiedlichem
Durchmesser erwünscht sind, die Höhen der Stapel 42 im wesentlichen konstant bleiben, was einen
Faktor darstellt, der die Konstruktion unterschiedlicher Installationen erleichtert. Es ist weiterhin nicht
erforderlich, den von jedem Stapel eingenommenen Anteil des Gesamtvolumens jeder Säule auf 20 bis 30% zu begrenzen.
In Abhängigkeit von verschiedenen Erwägungen, wie z.B. der Verbrennungstemperatur, der mittleren Gasgeschwindigkeit,
den Eigenschaften der Abgas- oder Abluftströmung, der Fläche des Querschnitts des Kanals 56, der
Größe der Flamme, der Größe und Formen der Wärmetauscherelemente 42 usw. kann dieser Anteil auf ungefähr 40% bis
50% ansteigen und dennoch eine befriedigende gleichförmige
Geschwindigkeit der meisten Teile der Abgasströmung hervorrufen.