DE4010478A1

DE4010478A1 - Vorrichtung zur waermeuebertragung

Info

Publication number: DE4010478A1
Application number: DE4010478A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Greffrath; Hans Fassbender
Original assignee: Krupp Buckau Maschinenbau GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 1990-03-31
Filing date: 1990-03-31
Publication date: 1991-10-02
Also published as: DE59101536D1; EP0451518A3; EP0451518B1; ATE105399T1; EP0451518A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, in der Feststoffpartikel in einem internen Kreislauf geführt werden, bestehend aus einem Gehäuse, zwischen einer unteren und einer oberen Rohrplatte gehaltenen Rohre, einer Einlaufkammer mit Eintrittsstutzen unterhalb des unteren Rohrbodens und einer darin angeordneten Lochplatte sowie einer Austrittskammer mit Austrittsstutzen oberhalb des oberen Rohrbodens.

Vorrichtungen dieser Art werden als Wirbelschicht-Wärmetauscher bezeichnet und kommen zum Einsatz, wenn Medien zu kühlen oder aufzuheizen sind, die zu Anbackungen oder Verkrustungen neigen. Dies ist der Fall bei Flüssigkeiten, bei denen darin gelöste Stoffe ausfallen, bei Suspensionen oder entsprechenden Gasen. Um solche Anbackungen oder Verkrustungen zu vermeiden, werden dem zu behandelnden Medium geeignete Feststoffpartikel beigemischt. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Vorrichtungen, bei denen die Feststoffpartikel dem zu behandelnden Medium vor dem Wärmetauscher zugegeben werden und diesen zusammen mit dem Medium durchströmen und solchen, bei denen die Feststoffpartikel innerhalb des Wärmetauschers in einem internen Kreislauf gehalten und geführt werden. Grundsätzliches Problem bei allen Wirbelschicht-Wärmetauschern ist die möglichst gleichmäßige Verteilung der Feststoffpartikel auf alle Rohre. Bei solchen mit internem Partikelkreislauf sind Maßnahmen erforderlich, um die Feststoffpartikel auch bei Stillstand der Anlage im Wärmetauscher zu halten, einen optimalen Kreislauf im stationären Betrieb zu gewährleisten und einen Austrag der Feststoffpartikel zusammen mit dem behandelten Medium sicher zu verhindern. Ein solcher Wärmetauscher ist beispielsweise in DE-OS 34 32 864 beschrieben. Ein Problem bei den bekannten Wirbelschicht-Wärmetauschern stellt die Druckpulsation in der Austrittskammer dar, die die gleichmäßige Durchströmung der Rohre beeinträchtigt oder verhindert. Ein weiteres Problem besteht in der relativ langen Anfahrphase, bis die Partikelrezirkulation in Gang gekommen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art durch einfache, konstruktive Maßnahmen so zu verbessern, daß sich sowohl beim Anfahren als auch beim stationären Betrieb ein optimales Betriebsverhalten ergibt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß oberhalb des oberen Rohrbodens und mit Abstand zu diesem eine eine Vorkammer bildende obere Lochplatte mit Löchern angeordnet ist, daß diese obere Lochplatte mindestens eine im Verhältnis zu den Löchern große Durchtrittsöffnung aufweist und daß zwischen oberem Rohrboden und oberer Lochplatte mindestens ein Trennblech angeordnet ist, das die Vorkammer gegen die Durchtrittsöffnung abgrenzt.

Das zu behandelnde, das heißt aufzuheizende oder abzukühlende, Medium wird einem Wärmetauscher dieser Art über einen Eintrittsstutzen am unteren Ende zugeführt. Es trifft auf ein Prallblech, das eine gleichmäßige Verteilung der Strömung auf den gesamten Wärmetauscher-Querschnitt bewirkt. Die Feststoffpartikel werden aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in den Löchern der unteren Lochplatte in dem Raum zwischen dieser und dem unteren Rohrboden gehalten. Sie durchströmen zusammen mit dem zu behandelnden Medium die Steigrohre. Sie treten am oberen Ende der Rohre aus und gelangen nicht wie üblich in die Austrittskammer, sondern in die erfindungsgemäße Vorkammer, die von dem oberen Rohrboden, dem Gehäuse, einer oberen Lochplatte und mindestens einem Trennblech gebildet wird. Der Abstand der oberen Lochplatte von dem oberen Rohrboden ist kleiner als der 10fache Durchmesser der Wärmetauscherrohre, so daß die Feststoffpartikel durch die Löcher transportiert werden und kein Partikelstau in der Vorkammer entsteht. Infolge des durch die obere Lochplatte erzeugten Druckverlustes sowie des in der Vorkammer stattfindenden Druckausgleiches bleibt die Strömung in den Austrittsöffnungen der Steigrohre unbeeinflußt von den Turbulenzen der sich oberhalb der Lochplatte aufbauenden Wirbelschicht. Hierdurch wird eine stabile Aufwärtsströmung in den Steigrohren gewährleistet.

Ein im Verhältnis zur Gesamtzahl der Wärmetauscherrohre kleine Zahl von Rohren arbeitet als Fallrohre. Diese münden in eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen in der oberen Lochplatte, die durch ein oder mehrere Trennbleche gegen die Vorkammer abgegrenzt ist bzw. sind.

Die Fallrohre sind bei kleineren Wärmetauschern als Gruppe im Zentrum der Steigrohre angeordnet. In diesem Fall weist die obere Lochplatte nur eine Durchtrittsöffnung gemeinsam für alle Fallrohre auf.

Bei großen Abmessungen kann es vorteilhaft sein, die vorgesehene Zahl von Fallrohren in mehrere, auf den Querschnitt verteilte Gruppen aufzuteilen und jeder dieser Gruppen eine Durchschnittsöffnung zuzuordnen.

In der sich nach oben erweiternden Austrittskammer bildet sich eine Wirbelschicht aus, welcher von unten durch die Löcher der oberen Lochplatte ständig neue Feststoffpartikel zugeführt werden. Dies führt zu einem Partikeltransport quer zur Hauptströmungsrichtung des behandelten Mediums in Richtung der Durchtrittsöffnung(en). Beim Anfahren des Wärmetauschers werden zunächst alle Rohre, also auch die Fallrohre von unten nach oben durchströmt. Der erwähnte Quertransport der Feststoffpartikel in der Austrittskammer führt zu einem Partikelstau oberhalb der frei zugänglichen Öffnungen der Fallrohre und damit zu einem Druckaufbau. Dieser Druckaufbau führt zu einer Verlangsamung und schließlich zu einer Umkehr der Strömung in den Fallrohren. Das führt zu dem erwünschten Rücktransport der Feststoffpartikel durch die Fallrohre zurück in die Einlaufkammer. Durch die obere Lochplatte wird ein sehr stabiler interner Kreislauf der Feststoffpartikel gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentliche Vorteile:

- Die Durchströmung der Steigrohre ist vollkommen gleichmäßig und unbeeinflußt von den örtlichen Druckpulsationen in der Austrittskammer.
- Die Partikelrezirkulation wird durch den Höhenunterschied zwischen der oberen Lochplatte und dem oberen Rohrboden unterstützt.
- Der im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt der Fallrohre (auch als Rückführrohre bezeichnet) große Querschnitt der von dem oder den Trennblechen abgegrenzten Durchstrittöffnungen oberhalb der Fallrohrgruppe führt zu einer Verringerung der beim Anfahren auch in den Fallrohren nach oben gerichteten Strömungsgeschwindigkeit, wodurch das Ingangkommen der Partikelrezirkulation und die Strömungsumkehr wesentlich erleichtert werden.
- Die mit Abstand vom oberen Rohrboden angeordnete Lochplatte dämpft die infolge der Pulsationen der Wirbelschicht in der Eintrittkammer initiierten Durchflußschwankungen in den Steigrohren und bewirkt so eine deutliche Beruhigung des Wirbelbettes in der Austrittskammer. Hierdurch wird die Gefahr des Partikelaustrages aus der Austrittskammer wesentlich verringert.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie konstruktiv und fertigungstechnisch sehr einfach ist und eine mechanische Bearbeitung des oberen Rohrbodens und der oberen Lochplatte über das Einbringen der Bohrungen beziehungsweise der Löcher hinaus nicht erforderlich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der oberen Lochplatte vom oberen Rohrboden zwischen dem 1fachen bis 5fachen Durchmesser der Wärmetauscherrohre liegt, da in diesem Bereich einerseits der Einfluß der Pulsation in der Austrittskammer auf die Rohrströmung ausreichend gedämpft wird, und daß andererseits ein Partikelstau in der durch Rohrboden und Lochplatte gebildeten Vorkammer vermieden wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Löcher in der oberen Lochplatte so zu dimensionieren, daß sich im Bereich der Löcher eine Strömungsgeschwindigkeit des behandelten Mediums einstellt, die beim 1,5fachen bis 5fachen Wert der Sinkgeschwindigkeit eines einzelnen Feststoffpartikels liegt. Dazu ist vorgesehen, daß das Verhältnis des Durchmessers der Löcher zum Innendurchmesser der Rohre 0,1 bis 1, vorzugsweise 0,5 bis 1 beträgt.

Es ist besonders vorteilhaft, die Löcher in der oberen Lochplatte so anzuordnen, daß sie jeweils genau über einem Steigrohr liegen. Im Zusammenwirken mit einem entsprechend gewählten Abstand der oberen Lochplatte vom oberen Rohrboden wird dadurch gewährleistet, daß die aus den oberen Öffnungen der Steigrohre austretenden Partikel direkt in die Löcher der Lochplatte transportiert werden und ein Partikelstau in der Vorkammer sicher vermieden wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und im folgenden näher beschrieben: Die Vorrichtung zur Wärmeübertragung weist ein Gehäuse 1 mit einem Eintrittsstutzen 2 für das zu behandelnde und einem Ausstrittsstutzen 3 für das behandelte Medium auf. Im Inneren der Vorrichtung sind zwischen einem unteren Rohrboden 4 und einem oberen Rohrboden 5 vertikale Steigrohre 6 und Fallrohre 7 gehalten. Die von dem zu behandelnden Medium im Kreislauf mitgeführten Feststoffpartikel sind mit 8 bezeichnet. Unterhalb des unteren Rohrbodens 4 befindet sich die Einlaufkammer 9, in der ein Prallblech 10, und eine untere Lochplatte 11 mit Löchern 12 angeordnet sind. Der Durchmesser des Prallbleches 10, das vorzugsweise als Klöpperboden ausgeführt ist, ist größer als der Durchmesser der Eintrittsstutzen 2. Der Eintrittstutzen 2 ragt in die Einlaufkammer 9 hinein und verhindert im Zusammenwirken mit dem Prallblech 10 aufgrund der geometrischen Verhältnisse, daß Feststoffpartikel 8 nach unten aus dem Wärmetauscher ausfallen können. Die Wärmetauscherrohre 6 und 7 ragen im Ausführungsbeispiel mit ihren unteren Enden durch den unteren Rohrboden 4 hindurch in den zwischen diesem und der unteren Lochplatte 11 liegenden Teil der Einlaufkammer 9 hinein, wobei die Enden der Fallrohre 7 länger sind als die Enden der Steigrohre 6. Das Prallblech 10 ist zwischen unterer Lochplatte 11 und Eintrittsstutzen 2 angeordnet. Oberhalb des oberen Rohrbodens 5 und mit definiertem Abstand zu diesem ist eine obere Lochplatte 13 mit Löcher 14 angeordnet, die mindestens eine Durchtrittsöffnung 15 für den Durchtritt des Rücklaufstromes aufweist. Der zwischen oberem Rohrboden 5 und oberer Lochplatte 13 gebildete, als Vorkammer bezeichnete Raum ist mit 16 bezeichnet und wird durch mindestens ein Trennblech 17 von der Durchtrittsöffnung 15 getrennt. Das Heiz- oder Kühlmedium wird über den Zuführstutzen 18 zugeführt, umströmt die Rohre 6 und 7 und wird nach Erwärmung, Abkühlung oder Kondensation über den Abführstutzen 19 wieder aus der Wärmeaustauschvorrichtung abgeführt. Aus der oberhalb des oberen Rohrbodens 5, sich nach oben erweiternden Austrittskammer 20 strömen die ausfallenden Feststoffpartikel 8 durch die Fallrohre 6 wieder nach unten und das behandelte Medium wird über den Austrittsstutzen 3 abgeführt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

FR-PS 11 79 572
US-PS 32 69 457
DE-PS 14 42 783
DE-PS 21 19 463
DE-OS 24 37 416
DE-PS 24 56 321
DE-OS 25 02 354
DE-OS 26 22 631
DE-PS 28 15 825
DE-PS 29 06 001
EP-PS 00 33 575
EP-OS 00 48 048
EP-PS 00 48 049
DE-PS 31 44 863
EP-PS 00 63 834
EP-PS 00 65 333
EP-PS 00 95 203
EP-PS 01 32 873
DE-OS 34 32 864
DE-PS 35 19 547

Claims

1. Vorrichtung zur Wärmeübertragung, in der Feststoffpartikel in einem internen Kreislauf geführt werden, bestehend aus einem Gehäuse, zwischen einer unteren und einer oberen Rohrplatte gehaltenen Rohre, einer Einlaufkammer mit Eintrittsstutzen unterhalb des unteren Rohrbodens und einer darin angeordneten Lochplatte sowie einer Austrittskammer mit Austrittsstutzen oberhalb des oberen Rohrbodens, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des oberen Rohrbodens (5) und mit einem Abstand kleiner als der 10fache Innendurchmesser der Rohre (6, 7) zu diesem eine eine Vorkammer (16) bildende obere Lochplatte (13) mit Löchern (14) angeordnet ist, daß diese obere Lochplatte (13) mindestens eine im Verhältnis zu den Löchern (14) große Durchtrittsöffnung (15) aufweist und daß zwischen oberem Rohrboden (5) und oberer Lochplatte (13) mindestens ein Trennblech (17) angeordnet ist, das die Vorkammer (16) gegen die Durchtrittsöffnung (15) abgrenzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der oberen Lochplatte (13) zwischen dem 1fachen und 5fachen Durchmesser der Rohre (6, 7) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Löcher (14) zum Innendurchmesser der Rohre (6, 7) 0,1 bis 1, vorzugsweise 0,5 bis 1 beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (14) in der oberen Lochplatte (13) genau über den Rohren (6, 7) liegen.