DE3843209A1

DE3843209A1 - Rekuperator

Info

Publication number: DE3843209A1
Application number: DE3843209A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Kainer; Juergen Sommerer; Roland Reichenauer
Original assignee: Didier Werke AG
Current assignee: Didier Werke AG
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1990-06-28
Also published as: GB2227556A; ES2018447A6; GB8928803D0; FR2641067A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines keramischen Rekuperators, mit zwei konzentrischen, ineinander angeordneten Rohren unterschiedlichen Durchmessers, wobei das Außenrohr an seinem einen Ende verschklossen ist und das keramische oder metallische Innenrohr in das Außenrohr hineinragt und kurz vor dem inneren Ende des Außenrohres in dieses mündet, wobei ein zu erwärmendes Fluid zunächst durch das Innenrohr in einer Richtung und dann durch den Ringspalt zwischen Innenrohr und Außenrohr in Gegenrichtung geführt wird, und wobei das Außenrohr in ein wärmeabgebendes Medium eintaucht.

Aus der DE-PS 28 08 213 ist ein derartiger Doppelrohr-Rekuperator für Rekuperativkoksöfen bekannt. Der Rekuperator besteht dabei aus zwei konzentrischen Metallrohren und ragt zwecks Wärmeaustausch von Verbrennungsluft mit Abgas in Rekuperatorzellen des Rekuperativkoksofens hinein. Das Innenrohr steht mit einem Verbrennungslufteintritt und das Außenrohr mit einem Verbrennungsluftaustritt in Strömungsverbindung. Derartige Rekuperatoren aus Metall sind hinsichtlich ihrer Anwendungstemperaturen begrenzt. Deswegen ist für heiße und korrosive Fluide bereits der Einsatz von keramischen Rekuperatoren vorgeschlagen worden (vgl. HdT- Fachveranstaltung "Wärmeaustauscher im industriellen Einsatzbereich", Essen, 18. und 19. Oktober 1988 - Vortrag XXIII/BL/HK/VORT mit dem dort zitierten Schrifttum).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verwendung eines keramischen Rekuperators der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit welchem eine möglichst große Wärmeübertragung, eine möglichst hohe Austrittstemperatur und ein möglichst niedriger Druckverlust erzielt werden kann, so daß derartige Rekuperatoren wirtschaftlich für die industrielle Wärmerückgewinnung, wie z. B. der Ofenabgase zum Vorwärmen der Verbrennungsluft, eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Volumenstrom des zu erwärmenden Fluids, die wirksame Rohrlänge R _L, der Außendurchmesser D _A des Außenrohrs, die Temperatur T _u des wärmeabgebenden Fluids und der Außendurchmesser D _I jedes Innenrohres die Relationen:

im wesentlichen erfüllen.

Untersuchungen haben gezeigt, daß hierdurch eine optimale Betriebskonfiguration eines Doppelrohr-Rekuperators erreicht werden kann. Geht man nämlich nach der Erfindung vor, so wird überraschenderweise mit einer maximalen Wärmeübertragung auch die Austrittstemperatur T _a des zu erwärmenden Mediums sehr hoch bzw. der Druckverlust Δ _p relativ niedrig. Die Abhängigkeit der zu optimierenden Größen von dem hydraulischen Durchmesser hat gezeigt, daß der Druckverlust minimal und die Austrittstemperatur sowie die übertragene Wärmemenge maximal sind in einem Bereich, in dem die Rohrspitzentemperatur T _s größer als die Austrittstemperatur T _a ist und bei dieser Relation die größte Abweichung vorliegt. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird man überraschenderweise genau dieser Bedingung gerecht.

Der Doppelrohr-Rekuperator ist charakteristisch für die Wärmeübertragung durch Strahlung von der Außen- auf die Innenrohrwand. Als besonders geeignet für eine hohe Strahlungsemission hat sich der Werkstoff SiSiC aufgrund seiner großen Oberflächenrauhigkeit erwiesen, so daß auch im Rahmen des Erfindungsgdankens vorteilhafterweise das Außenrohr und/oder das Innenrohr aus SiSiC (siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid) oder SSiC (gesintertes Siliziumcarbid) bestehen sollten. Die Verwendung dieses keramischen Materials läßt die Rohrwände im Gegensatz zu Stahl als nahezu "schwarze" Strahler erscheinen.

Der Volumenstrom des zu erwärmenden Fluids sollte zweckmäßigerweise zwischen etwa 15 und 120 Nm³/h, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 Nm³/h liegen und insbesondere bei maximal 30 Nm³/h.

Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, einen Doppelrohr-Rekuperator zu verwenden, dessen wirksame Rohrlänge R _L etwa 1 m beträgt.

Die Temperatur T _u des wärmeabgebenden Fluids, also beispielsweise die Ofentemperatur, kann in der Größenordnung von 1300°C liegen.

Besonders günstige Verhältnisse werden dann erzielt, wenn ein Rekuperator verwendet wird, dessen Außendurchmesser D _A des Außenrohrs etwa doppelt so groß ist wie der Außendurchmesser D _I des Innenrohrs.

Die übertragene Wärmeleistung H läßt sich anhand folgender Beispiele erkennen:

1. Beispiel
Außendurchmesser des Innenrohrs:
D _I = 0,040 m
Außendurchmesser des Außenrohrs:	D _A = 0,080 m
Wirksame Rohrlänge:	R _L = 1,0 m
(a) Ofentemperatur	T _u = 1300°C
Meßwerte: Volumenstrom:	= 15 bis 55 Nm³/h
Übertragene Wärmeleistung:	H = 12 bis 17 kW
(b) Ofentemperatur	T _U = 800°C
Meßwerte: Volumenstrom:	= 15 bis 40 Nm³/h
Übertragene Wärmeleistung:	H = 2,8 bis 4 kw

2. Beispiel
Außendurchmesser des Innenrohrs:
D _I = 0,040 m
Außendurchmesser des Außenrohrs:	D _A = 0,080 m
Wirksame Rohrlänge:	R _L = 2,5 m
(a) Ofentemperatur	T _u = 1300°C
Meßwerte: Volumenstrom:	= 60 bis 120 Nm³/h
Übertragene Wärmeleistung:	H = 30 bis 37 kW
(b) Ofentemperatur	T _U = 800°C
Meßwerte: Volumenstrom:	= 40 bis 100 Nm³/h
Übertragene Wärmeleistung:	H = 7 bis 10 kw

Anhand der Zeichnung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen keramischen Doppelrohr-Rekuperators 1 bei der Wärmerückgewinnung am Beispiel von Ofenabgasen zum Vorwärmen von Verbrennungsluft veranschaulicht. Der Rekuperator 1 besteht aus zwei konzentrischen Rohren, nämlich dem Außenrohr 2 mit einem Außendurchmesser D _A und einem Innenrohr 3 mit einem Außendurchmesser D _I. Sie bilden zwischen sich einen Ringspalt 4. Das Außenrohr 2 ist an seinem (in der Zeichnung) oberen Ende verschlossen und weist an seinem (in der Zeichnung) unteren Ende eine Austrittsöffnung 5 auf, welche in einer Kammer 6 der Ofenwandung 7 mündet, von welcher die erwärmte Luft nach außen abgeführt wird. Im Innenrohr 3 wird (in der Zeichnung) von unten Umgebungsluft zugeführt. Das Innenrohr 3 endet kurz vor dem inneren Ende des Außenrohrs 2 und mündet dort in letzteres, so daß der Luftstrom, unterstützt von der inneren Rundung des verschlossenen Endes des Außenrohrs 2 in den Ringspalt 4 umgelenkt wird. Der Doppelrohr-Rekuperator 1 ragt dabei zur Übertragung der Wärme von dem heißen Ofenabgas auf die Umgebungsluft mit der wirksamen Rohrlänge R _L in den Ofenraum hinein. Das Innenrohr kann aus keramischem oder metallischem Material bestehen.

Bezugszeichenliste:

1 Rekuperator
2 Außenrohr
3 Innenrohr
4 Ringspalt
5 Austrittsöffnung
6 Kammer
7 Ofenwandung

Claims

1. Verwendung eines keramischen Rekuperators (1) mit zwei konzentrischen, ineinander angeordneten Rohren (2, 3) unterschiedlichen Durchmessers (D _A , D _I), wobei das Außenrohr (2) an seinem einen Ende verschlossen ist und das keramische oder metallische Innenrohr (3) in das Außenrohr (2) hineinragt und kurz vor dem inneren Ende des Außenrohres (2) in dieses mündet, wobei ein zu erwärmendes Fluid zunächst durch das Innenrohr (3) in einer Richtung und dann durch den Ringspalt (4) zwischen Innenrohr (3) und Außenrohr (2) in Gegenrichtung geführt wird, und wobei das Außenrohr (2) in ein wärmeabgebendes Medium eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom () des zu erwärmenden Fluids, die wirksame Rohrlänge (R _L ), der Außendurchmesser (D _A ) des Außenrohrs (2), die Temperatur (T _u ) des wärmeabgebenden Fluids und der Außendurchmesser (D _I ) jedes Innenrohres (3) die Relationen: erfüllen.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (2) und/oder das Innenrohr (3) aus SiSiC oder SSiC bestehen/besteht.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom () des zu erwärmenden Fluids zwischen etwa 15 und 120 Nm³/h, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 Nm³/h, liegt.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom () des zu erwärmenden Fluids bei maximal 30 Nm³/h liegt.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Rohrlänge (R _L ) etwa 1 m beträgt.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T _u ) des wärmeabgebenden Fluids in der Größenordnung von 1300°C liegt.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D _I ) des Innenrohres (3) in der Größenordnung von einigen Zentimetern liegt.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D _A ) des Außenrohres (2) etwa doppelt so groß ist wie der Außendurchmesser (D _I ) des Innenrohres (3).