DE3818819A1 - Vorrichtung zur uebertragung von waerme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme mit einem aus Heizrohren gebildeten und in Rohrböden gehaltenen, stehenden Rohrbündel, das von einem Gehäuse umgeben ist, wobei ein Teil der Heizrohre Aufstiegsrohre für ein mit Feststoffpartikeln beladenes Medium und der restliche Teil Rückführrohre für die im Kreislauf zu führenden Feststoffpartikel darstellen und mit einem Zuführstutzen für Heißdampf, einem Ablaufstutzen für Kondensat sowie mit einer untenliegenden Vorkammer mit Eintrittsstutzen für das aufzuheizende Medium und einer obenliegenden Austrittskammer mit Austrittsstutzen für das aufgeheizte Medium. Derartige Vorrichtungen dienen zur Aufheizung von krusten- und schmutzschichtbildenden Medien. Um Verkrustungen an den Heizrohren zu vermeiden, werden dem zu behandelnden Medium Feststoffpartikel zugegeben und während der Wärmeübertragung in den Heizrohren mitgeführt. Ablagerungen an den Innenwänden der Heizrohre werden durch die in der turbulenten Strömung gegen die Rohrwand prallenden Feststoffpartikel verhindert. Da der Prozeßkreislauf von diesen Feststoffpartikeln frei bleiben soll, werden die Feststoffpartikel möglichst vollständig rückgeführt.

Zum Abscheiden und Rückführen sind Vorrichtungen bekannt, bei denen wie z.B. in den Druckschriften AT-PS 1 04 112 und DE-PS 3 69 231 ein außerhalb des eigentlichen Wärmeaustauschers liegender Rückführkreislauf gebildet ist und die Heizrohre teilweise schräg angeordnet sind. Zur Vereinfachung und zur Verringerung des Platzbedarfes sind Wärmeaustauscher mit innerer Rückführung der Feststoffpartikel bekannt wie z.B. aus der DE-OS 36 25 408.

In jedem Falle kommt es darauf an, das zu behandelnde Medium und die Feststoffpartikel gleichmäßig auf die Heizrohre zu verteilen und eine effektive Rückführung der Feststoffpartikel zu erreichen. Hierzu sind sogenannte Wirbelschicht- Wärmeaustauscher bekannt, die über Aufstiegsrohre für das aufzuheizende Medium und Rückführrohre für die Rückführung der Feststoffpartikel verfügen. Zur Steuerung der Rückführung sind die Aufstiegsrohre länger ausgeführt als die Rücklaufrohre oder weisen wie z.B. in EP-PS 01 32 873 oder DE-PS 34 32 864 Drosseln auf, wogegen die abwärts durchströmten, der Rezirkulation der Partikel dienenden Rückführrohre ungedrosselt sind. Nachteile dieser Art der Steuerung des Partikelflusses sind ein schlechtes Anfahrverhalten, verringerte Wärmeübertragungsleistung durch Rückmischung und die Gefahr des Partikelaustrags aus dem Wärmeaustauscher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Mitteln diese Nachteile zu vermeiden und eine fertigungstechnisch und kostengünstige Vorrichtung zu schaffen zur effektiven und sicheren Rezirkulation der Feststoffpartikel bei gleichzeitiger Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die der Rückführung der Feststoffpartikel dienenden Rückführrohre jeweils mit einer Drossel versehen sind.

Entgegen der herrschenden Meinung, daß es günstig sei, die Steuerung des Partikelflusses durch eine Verlängerung der Aufstiegsrohre oder durch eine Drosselung der Strömung in den Aufstiegsrohren zu bewerkstelligen, konnte überraschend gefunden werden, daß die Eigenschaften von solchen Wirbelstrom-Wärmeaustauschern wesentlich verbessert werden können durch die Drosselung der Rückführrohre. Die Vorteile einer Vorrichtung gemäß der Erfindung bestehen in einem wesentlich verbesserten Anfahrverhalten. Bei einer Drosselung der Aufstiegsrohre wie beispielsweise in den Druckschriften EP-PS 01 32 873 und DE-PS 34 32 864 beschrieben, werden nämlich beim Anfahren des Apparates zunächst bevorzugt die ungedrosselten, eigentlich für den Rücktransport der Partikel vorgesehenen Rückführrohre durchströmt. Es bedarf der Ansammlung größerer Mengen Wirbelgutes oberhalb der Rückführrohre, bis sich deren Durchströmung infolge eines ausreichend hohen statischen Druckes umkehrt. Bei der erfindungsgemäßen Drosselung der Rückführrohre ergeben sich bereits in der Anlaufphase ähnliche Strömungsverhältnisse wie im Betriebszustand, d.h. die gewünschten Strömungsrichtungen stellen sich unmittelbar ein, da auch die Rückführrohre von unten nach oben durchströmt werden.

Das aufzuwärmende Medium, insbesondere krusten- und schmutzschichtbildende Medien, tritt von unten in eine konisch oder zylindrisch ausgebildete Vorkammer ein.

Das Medium tritt nun sowohl in die Aufstiegsrohre als auch in die Rückführrohre ein und reißt hierbei die aus den Rückführrohren austretenden Feststoffpartikel in die Aufstiegsrohre mit. Die Eintrittskammer mit konischer Erweiterung ist zum Abbau der Geschwindigkeit vorgesehen, so daß feststoffpartikelfreies Medium über den Austrittsstutzen austritt.

Da die Gas- bzw. Fluid-Geschwindigkeit am Austritt aus den Aufstiegsrohren größer als die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikel ist, fallen diese automatisch in die langsamer durchströmten Rückführrohre. Im Normalfall wird ein denkbarer Rückströmeffekt durch eine sorgfältige Abstimmung der Drosseln, der Anzahl der Rückführrohre, der Größe der Feststoffpartikel, des Partikelgewichts sowie der Strömungsgeschwindigkeit in den Aufstiegsrohren verhindert.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in einer verbesserten Wärmeübertragungsleistung. Bei Drosselstellen in den Aufstiegsrohren stellt sich sehr leicht ein unerwünschter Rücktransport bereits erwärmter Flüssigkeit durch die ungedrosselten Rückführrohre ein. Durch diese Rückmischung reduziert sich die effektive, an der Heizfläche wirksame, treibende Temperaturdifferenz bzw. es verringert sich bei einem gegebenen Apparat die Wärmeübertragungsleistung. Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine solche Rückströmung des erwärmten Mediums sicher vermieden und eine höhere Wärmeübertragungsleistung erreicht, weil infolge der Aufwärtsströmung in den Rückführrohren, diese ebenfalls Heizrohre darstellen. Und schließlich wird eine wesentlich höhere Sicherheit gegenüber einem Austrag von Feststoffpartikeln durch die erfindungsgemäße Anordnung der Drosseln erreicht. Bei Drosselung der Aufstiegsrohre werden nämlich die Partikel, je nach Auslegung der Drosselung, unter Umständen bis auf das Fünffache der Partikelgeschwindigkeit im Rohr beschleunigt. Dadurch besteht die Gefahr des Partikelaustrags aus dem Apparat. Um dies zu vermeiden, ist eine entsprechend große Austrittskammer erforderlich, wodurch Raumbedarf und Kosten steigen.

Das Wesentliche bei der Anordnung der Drosseln in den Rückführrohren ist, daß oberhalb der Drosseln in den Rohren eine Strecke mit verzögerter Strömungsgeschwindigkeit vorhanden ist, damit die Feststoffpartikel in die Öffnungen der Rückführrohre eintreten können.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Drosseln am unteren Ende und innerhalb der Rückführrohre mit Abstand zum unteren Rohrboden, vorzugsweise dem ein- bis fünffachen Rohrdurchmesser, oder unmittelbar im Bereich der Rohrenden, da sich hierdurch ein absolut sicherer Anfahrbetrieb ohne die Gefahr einer Wirkungsverringerung der Rückführrohre und eine sichere Rezirkulation der Feststoffkörper in jedem Betriebszustand ergeben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Drosseln als blenden- oder düsenförmige Einsteckelemente auszuführen, wodurch sich leicht sehr präzise Strömungsquerschnitte realisieren lassen mit entsprechend exakter Strömungsgeschwindigkeitsverteilung. Bei sonst gleichen Abmessungen des Wirbelschichtwärmeaustauschers sind die Einsteckelemente je nach den Anforderungen verschieden ausgeführt.

Um den Fertigungs- und Montageaufwand zu verringern, ist es bei allerdings reduzierter Fertigungsgenauigkeit günstig, wenn die Drosseln durch eine Einschnürung der Rücklaufrohre gebildet werden, wobei eine Quetschung der Rohre besonders kostengünstig ist. Diese Quetschung ergibt einen ovalen Querschnitt und muß deshalb etwas vom Rohrende entfernt angeordnet sein, damit dieses mit Rücksicht auf die Strömung und das Befestigen der Rohre im Rohrboden einwandfrei rund bleibt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Drosseln mittels einer zusätzlichen Lochplatte gebildet sind, wobei die Lochplatte im Bereich des Rohrbodens angeordnet und jedem Rückführrohr ein Loch zugeordnet ist, da eine solche Lochplatte sehr einfach und mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt werden kann. Dies gilt auch und vor allem dann, wenn die Bohrungen mit Rücksicht auf einen verbesserten Feststoffpartikel-Eintritt nach Anspruch 6 konisch ausgeführt sind.

Die Rezirkulation der Feststoffpartikel erfolgt nur dann ordnungsgemäß, wenn die Drosseln in oder an den Rückführrohren derart bemessen sind, daß sich in jedem Betriebszustand eine aufwärtsgerichtete Geschwindigkeit des Mediums in den Rückführrohren einstellt, die kleiner ist als die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikel. Sie liegt vorzugsweise bei 20 bis 80% der Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikel.

Im Normalfall, d.h. bei ausreichender Anzahl und gleichmäßiger Verteilung der Rückführrohre müßten auch die Aufstiegsrohre automatisch gleichmäßig mit Wirbelgut beaufschlagt werden, wenn diese ungedrosselt sind. Wenn dies aber unter gewissen Voraussetzungen und Betriebszuständen mit einer solchen Anordnung nicht einwandfrei gewährleistet werden kann, weil sich die Strömungswiderstände in Wirbelschichten stark verändern mit der Anzahl der im Rohr befindlichen Partikel, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß auch die Aufstiegsrohre zur Vergleichmäßigung der Durchströmung jeweils mit einer Drossel entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 einzeln oder in Kombination versehen sind. In diesem Falle sind die Querschnitte so bemessen, daß die Drosselwirkung in den Rückführrohren größer ist als die in den Aufstiegsrohren.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Gestaltungsdetails sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Wirbelschichtwärmeaustauscher,

Fig. 2 einen Teilschnitt mit Lochplatte,

Fig. 3 einen Teilschnitt mit eingeschnürtem Rückführungsrohr.

In einem Gehäuse 1 sind ein oberer Rohrboden 2 und ein unterer Rohrboden 3 befestigt, zwischen denen die Heizrohre angeordnet sind, von denen ein Teil als Aufstiegsrohre 4 und der restliche Teil als Rückführrohre 5 ausgebildet ist. Unterhalb des Rohrbodens 3 ist eine in diesem Falle konische Vorkammer 6 mit Eintrittsstutzen 7 für das zu behandelnde Medium 8 mit dem Gehäuse 1 verbunden. Oberhalb des Rohrbodens 2 ist eine Austrittskammer 9 mit Stutzen 10 für das behandelte Medium 11 angeordnet. Zur Beheizung der Heizrohre 4 und 5 wird Heißdampf 13 über einen Zuführstutzen 12 in eine Ringkammer 23 im oberen Bereich des Gehäuses 1 zugeführt und verteilt sich gleichmäßig um die Heizrohre 4 und 5. Das sich bildende Kondensat 15 fließt über einen Ablaufstutzen 14 im unteren Bereich des Gehäuses 1 ab. Mit 16 sind die hier als düsenförmige Einsteckelemente ausgeführten Drosseln in den Rückführrohren 5 und mit 17 die Feststoffpartikel bezeichnet. In der Vorkammer 6 ist sowohl eine glockenförmige Prallvorrichtung 19, die für eine Vergleichmäßigung der Strömung sorgt, als auch eine Lochplatte 18 zur weiteren Homogenisierung der Strömung im Bereich unterhalb des unteren Rohrbodens 3 angeordnet.

Nach Fig. 2 werden die Drosseln durch ein Lochblech 20 mit Löchern 21 gebildet, wobei jedem Rückführrohr 5 ein Loch 21 zugeordnet ist.

Nach Fig. 3 besteht die Drossel aus einer nach innen gerichteten Einschnürung 22, die durch Rollen oder Quetschen hergestelt ist.

Die Strömungsrichtung der Feststoffpartikel ist mit den ausgezogenen Pfeilen 24 und die Strömungsrichtung des Mediums mit gestrichelten Pfeilen 25 angedeutet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Übertragung von Wärme mit einem aus Heizrohren gebildeten und in Rohrböden gehaltenen, stehenden Rohrbündel, das von einem Gehäuse umgeben ist, wobei ein Teil der Heizrohre Aufstiegsrohre für ein mit Feststoffpartikeln beladenes Medium und der restliche Teil Rückführrohre für die im Kreislauf zu führenden Feststoffpartikel darstellen und mit einem Zuführstutzen für Heißdampf, einem Ablaufstutzen für Kondensat sowie mit einer untenliegenden Vorkammer mit Eintrittsstutzen für das aufzuheizende Medium und einer obenliegenden Austrittskammer mit Austrittsstutzen für das aufgeheizte Medium, dadurch gekennzeichnet, daß die der Rückführung der Feststoffpartikel (17) dienenden Rückführrohre (5) jeweils mit einer Drossel (16) versehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (16) am unteren Ende und innerhalb der Rückführrohre (5) mit Abstand zum unteren Rohrboden (3), vorzugsweise dem ein- bis fünffachen Rohrdurchmesser, oder unmittelbar im Bereich der Rohrenden angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (16) als blenden- oder düsenförmige Einsteckelemente ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (16) durch Einschnürungen der Rückführrohre (5) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (16) mittels einer zusätzlichen Lochplatte (20) gebildet sind, wobei die Lochplatte (20) im Bereich des Rohrbodens (3) angeordnet und jedem Rückführrohr (5) ein Loch (21) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (21) der Lochplatte (20) düsenförmig ausgebildet sind, wobei der kleinere Durchmesser auf der dem unteren Rohrboden (3) abgekehrten Fläche der Lochplatte (20) liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (16) in oder an den Rückführrohren (5) derart bemessen sind, daß sich eine Geschwindigkeit des Mediums in den Rückführrohren (5) einstellt, die kleiner ist als die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikel (17) und vorzugsweise bei 20 bis 80% der Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikel (17) liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Aufstiegsrohre (4) zur Vergleichmäßigung der Durchströmung jeweils mit einer Drossel (16) entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 einzeln oder in Kombination versehen sind.