DE3828646A1 - Heizflaeche zum auskoppeln von waerme aus einem mit feststoffpartikeln beladenen fluidstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizfläche zum Auskoppeln von Wärme aus einem mit Feststoffpartikeln beladenen Fluidstrom, insbesondere aus einem einer Wirbelschichtfeuerung entstammenden staubbeladenen Rauchgasstrom, mit in Richtung des Fluidstromes in einer Ebene angeordneten Rohren und aus fluidseitig ebenen Wärmetauscheroberflächen.

Eine Heizfläche der genannten Gattung ist aus der Veröffentlichung K. Harz - H. Schlumberger, "Planung, Errichtung und Inbetriebsetzung eines Industriekraftwerkes", VGB-Kraftwerkstechnik 67 (1987) Heft 11, Seite 1041, Bild 9 und zugehörigen Text bekannt. Diese als Super-Omega-Konstruktion bezeichnete Heizfläche besteht aus querschnittsmäßig besonders geformten Rohren, die bei fluchtender Rohr-an-Rohr-Anordnung zwei möglichst glatte Wärmetauscheroberflächen bildet, durch die eine aufgrund hoher Staubbeladung eines heißen Gasstromes hervorgerufene Erosion an vom staubbeladenen Gas quer angeströmten oder hervorstehenden Heizflächenteilen, insbesondere den Rohren, weitestgehend vermieden wird. Obwohl die bekannte Heizfläche aufgrund der besonderen Querschnittsform und einer damit verbundenen Erhöhung der Wandstärke gegenüber dem staubbeladenen Gasstrom eine zusätzliche Sicherheit bietet, sind ihr konstruktiver und /oder fertigungstechnischer Aufwand und somit auch die Herstellungskosten sehr hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Heizfläche in konstruktiver und fertigungstechnischer Hinsicht zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rohre in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind.

Eine in Richtung einer Fluidströmung in einer Ebene vorgenommenen Anordnung von Rohren zum Wärmetausch innerhalb eines von einem staubbeladenen gasförmigen, dampfförmigen und/oder flüssigen Fluid umströmten geschlossenen Gehäuses erlaubt es, Rohre beispielsweise in U-Form, in Form einer Rohrschlange oder einer Rohrtafel in Rohr-Steg-Rohr- oder Flossenrohr-Konstruktion einzusetzten, zumindest aber so wie sie insbesondere im Dampferzeugerbau als von Wasser und/oder Dampf durchströmte Berührungsheizflächen Verwendung finden. Dabei ist die Lage der Rohrachsen von der Richtung des Fluidstromes unabhängig. Eine Hintereinanderanordnung von Rohren kann sowohl fluchtend als auch in einer bestimmten Rohrfolge leicht versetzt zueinander sein.

Für eine besonders einfache Fertigung ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuse aus einem Anströmteil, aus zwei an den Anströmteil anschließenden, parallelen ebenen Flächenteilen, aus einem die Flächenteile verbindenden Abströmteil und aus seitlichen Abschlußteilen zusammengefügt ist.

Die Gehäuseform erlaubt es in vorteilhafter Weise den Einsatz von handelsüblichen Bauelementen. So bietet sich für den Anström- oder Abströmteil des Gehäuses die Verwendung eines symmetrischen Profils an, beispielsweise in Form eines gleichschenkeligen Winkelprofils oder eines runden V-Profils, das den staubbeladenen Gasstrom in Verbindung mit einer möglichst glatten Oberfläche der die Profile des An- und Abströmteils verbindenden ebenen Flächenteile mit geringer Angriffsmöglichkeit für Erosion um die Heizfläche führt.

Beim Einsatz eines geschlossenen Gehäuses erfolgt der Wärmeübergang vom staubbeladenen Fluidstrom im wesentlichen durch erzwungene Konvektion an die Gehäuseoberfläche, durch Wärmeleitung in der Gehäusewand und vom Gehäuse zu den ein die Wärme aufnehmendes Medium führenden Rohren in erster Linie durch Strahlung.

Wegen des sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten bei Anströmung einer ebenen Gehäuseoberfläche durch einen feststoffbeladenen Fluidstrom nimmt das Gehäuse nahezu die Temperatur des anströmenden Fluidstromes an. Dementsprechend ist der Wärmeübergang durch Strahlung zwischen dem Gehäuse und den Rohren wegen der großen Temperaturdifferenz sehr intensiv. Gegegenüber der bekannten Heizfläche ist der Wärmedurchgangskoeffizient k für eine Heizfläche mit Gehäuse nur geringfügig schlechter. Folglich muß die für die Übertragung einer bestimmten Wärmemenge Q benötigte Fläche bei einem Gehäuse nur geringfügig größer dimensioniert werden.

Einen weiteren Vorteil bietet eine gekapselte Heizfläche beim Abstellen und vor allem beim ungeplanten Ausfall, z. B. im Schwarzfall, einer mit Wärmetauscherrohrbündel ausgerüsteten Anlage. In diesem Fall wirkt das Gehäuse als Strahlungsschutz gegen die speziell bei Wirbelschichtanlagen auftretende intensive Festkörperstrahlung. Durch das Gehäuse wird die an die ungekühlten Wärmetauscherrohre übertragene Wärmemenge ungefähr halbiert und die maximale Rohrwandtemperatur gegenüber einer Heizfläche ohne Gehäuse erheblich gesenkt.

Aus diesem Grund bietet sich in besonders vorteilhafter Weise ein Einsatz dieser Heizfläche in einem Wärmetauscherrohrbündel zum Wärmeauskoppeln aus einem ca. 850°C heißen, staubbelastenem Rauchgasstrom innerhalb einer Wirbelschichtanlage an.

Der Wärmetransport von einem heißen, gasbeladenen Gasstrom über eine mit einem Gehäuse versehene Heizfläche zu einem wärmeaufnehmenden Medium läßt sich durch verschiedene Maßnahmen erhöhen:

In diesem Sinne kann es zweckmäßig sein, wenn zwischen dem Gehäuse und den Rohren Wärmebrücken bildende Elemente angeordnet sind.

Andererseits kann es auch zweckmäßig sein, wenn das Gehäuse zu den Rohren einen für eine Gaszirkulation optimalen Abstand aufweist.

Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, wenn das Gehäuse aus einem geeigneten Strahlungemittierenden Material und die Rohre aus einem geeigneten Strahlungabsorbierenden Material bestehen.

Demzufolge läßt sich mittels der Wärmebrücken bildenden Elemente die Wärmeleitung durch einen optimalen Gehäuse-Rohr-Abstand der infolge der freien Konvektion gegebene Wärmeübergang und/oder durch einen besonderen Materialeinsatz die Wärmestrahlung erhöhen.

Eine bevorzugte, besonders einfache Ausführung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kanal mit einem aus mehreren mit einem Gehäuse versehenen Heiz­ flächen bestehenden Wärmetauscherrohrbündel,

Fig. 2 einen gegenüber der Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II um 90° gedrehten Längs­ schnitt des Kanals, und

Fig. 3 eine Detailansicht eines in Fig. 2 durch einen strichpunktierten Kreis gekennzeichneten Heiz­ flächenausschnittes Reaktionsraum.

Gemäß Fig. 1, 2 und 3 ist in einem Raktionsraum 1, insbesondere einer Wirbelschichtfeuerung, nachgeschalteten und von einem heißen, staubbeladenen Fluid 2 senkrecht durchströmten Kanal 3 ein Wärmetauscherrohrbündel 4 angeordnet, das aus mehreren, parallel zur Strömung des Fluids 2 ausgerichteten Heizflächen 5 besteht. Jede dieser Heizflächen 5 besteht aus einem geschlossenen Gehäuse 6 mit einem Anströmteil 6 a, mit zwei an dem Anströmteil 6 a anschließenden, parallelen ebenen Flächenteilen 6 b, mit einem die Flächenteile 6 b verbindenden Abströmteil 6 c und mit seitlichen Abschlußteilen 6 d. Der Anströmteil 6 a besteht aus einem gleichschenkeligen Winkelprofil, dessen Schenkelenden mit den ebenen Flächenteilen 6 b verbunden sind. Der Abströmteil 6 c ist wie der Anströmteil 6 a geformt, wobei jeweils auch die Möglichkeit auch zu einer asymmetrischen Profilform gegeben ist. Die seitlichen Abschlußteile 6 d werden durch die Wand des Kanals 3 gebildet.

In dem Gehäuse 6 befinden sich zu einer Rohrschlange verbundene oder geformte Rohre 7, die von einem Wärme aufnehmenden Medium 8 durchströmt werden und die in einer zur Fluidströmung 2 parallelen Ebene fluchtend angeordnet sind. Anstelle der zu einer Rohrschlange verbundenen Rohre 7 besteht auch die Möglichkeit Rohre in Rohr-Steg-Rohr- oder Flossenrohr-Konstruktion (Fig. 3) einzusetzen, wobei es aufgrund des Gehäuses 6 gleichgültig ist, ob die Rohrachsen parallel oder senkrecht zur Fluidströmung ausgerichtet sind.

Die Verwendung der Heizflächen 5 ist nicht auf einen senkrecht durchströmten Gaskanal 3 beschränkt. So besteht auch die Möglichkeit die Heizflächen innerhalb eines in einem horizontal durchströmten Kanal befindlichen Wärmetauscherrohrbündels anzuordnen, wobei die Heizflächen sowohl horizontal als auch vertikal ausgerichtet sein können. Im Falle vertikaler Ausrichtung der Heizflächen können diese im Kanal hängend oder stehend befestigt sein.

Claims (5)

1. Heizfläche zum Auskoppeln von Wärme aus einem mit Feststoffpartikel beladenen Fluidstrom, insbesondere aus einem einer Wirbelschichtfeuerung entstammenden staubbeladenen Rauchgasstrom, mit in Richtung des Fluidstromes in einer Ebene angeordneten Rohren und aus fluidseitig ebenen Wärmetauscherober­ flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) in einem geschlossenen Gehäuse (6) angeordnet sind.

2. Heizfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) aus einem Anströmteil (6 a), aus zwei an dem Anströmteil (6 a) anschließenden, parallelen ebenen Flächenteilen (6 b), aus einem die beiden Flächenteile (6 b) verbindenden Abströmteil (6 c) und aus seitlichen Abschlußteilen (6 d) zusammengefügt ist.

3. Heizflächen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gehäusen (6) und den Rohren (7) Wärmebrücken bildende Elemente angeordnet sind.

4. Heizfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) zu den Rohren (79) einen für eine Gaszirkulation optimalen Abstand (A) aufweist.

5. Heizfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) aus einem geeigneten strahlungsemittierenden Material und die Rohre (7) aus einem geeigneten strahlungs­ absorbierenden Material bestehen.