DE4016043A1 - Vorrichtung zur uebertragung von waerme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme mit einem aus Wärmeaustauscherrohren gebildeten und in Rohrböden gehaltenen, stehenden Rohrbündel, das von einem Behältermantel umgeben ist, wobei der größere Teil der Wärmetauscherrohre als Aufstiegsrohre für ein zu behandelndes, mit Feststoffpartikeln beladenes Medium und die restlichen Wärmetauscherrohre als Rückführrohre für die im internen Kreislauf zu führenden Feststoffpartikel - das Wirbelgut - dient, einer untenliegende Eintrittskammer mit Eintrittstutzen für das zu behandelnde Medium sowie einer obenliegenden Austrittskammer mit Austrittsstutzen für das behandelte Medium.

Derartige Vorrichtungen - meist als Wirbelschicht-Wärmetauscher bezeichnet - dienen zum Aufheizen oder Abkühlen von zu Krustenbildung oder zu Ablagerung neigenden Medien. Die zu behandelnden Medien, bei denen es sich meist um Flüssigkeiten jedoch auch Gase handeln kann, werden in den Wärmetauscherrohren geführt.

Das Kühl- oder Heizmedium - wobei es sich hierbei um eine Flüssigkeit, kondensierenden Dampf oder ein Gas handeln kann - umströmt die Wärmetauscherrohre.

Zur Vermeidung von Ablagerungen auf den Innenwänden der Wärmetauscherrohre werden dem zu behandelnden Medium Feststoffpartikel zugegeben und während des stationären Betriebes mit dem Medium durch die Wärmetauscherrohre geführt. Die Ablagerungen werden dadurch verhindert, daß die Feststoffpartikel in der turbulenten Strömung gegen die Rohrinnenwand prallen und sich bildende Verkrustungen sofort lösen.

Es sind Wirbelschicht-Wärmetauscher sowohl mit äußerer als auch mit innerer Partikelrückführung in verschiedenen Ausführungsformen bekannt (s. Aufstellung weiter hinten); Beispiele für beide Ausführungsformen sind in der DE OS 34 32 864 angegeben. Die bekannten Wirbelschicht-Wärmetauscher haben jedoch die folgenden Nachteile:

• - Beim Abschalten oder bei einer durch Systemausfall bedingten Unterbrechung der Medienzufuhr ergibt sich, sofern nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, eine äußerst unerwünschte Rückströmung von Feststoffpartikeln in die Förderpumpe oder gar in die gesamte Anlage. Um eine solche Partikelrückströmung zu verhindern, werden aufwendige glockenförmige Verschlüsse oder Kugelrückschlagverschlüsse eingebaut.

Diese sind jedoch ihrerseits auch wieder der Gefahr von Ablagerungen oder Verkrustungen ausgesetzt.

• - In der Eintrittskammer verbleiben nach dem Wiederanfahren auch im stationären Betrieb größere Mengen an Wirbelgut, weil die Strömungsgeschwindigkeit in der Eintrittskammer weit unter der Sinkgeschwindigkeit des einzelnen Feststoffpartikels liegt. Dies ist von Nachteil, weil damit ein Teil des Wirbelgutes überhaupt nichts zur Reinigung der Wärmetauscherrohre beitragen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Abschalt- und Betriebsverhalten eines Wirbelschicht-Wärmetauschers zu verbessern, d. h. mit einfachen konstruktiven Mitteln eine Rückströmung von Feststoffpartikeln beim Abschalten oder Systemausfall sicher zu verhindern und nach dem Wiederanfahren eine im Dauerbetrieb praktisch von Feststoffpartikeln freie Eintrittkammer zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs beschreibenen Art in der Eintrittskammer ein Innenbehälter mit einem zentralen Auslauf angeordnet ist, dessen Fassungsvermögen so bemessen ist, daß er das gesamte Wirbelgut aufnehmen kann, daß zwischen dem Innenbehälter und der Wandung der Eintrittskammer ein Zwischenraum gebildet wird, der Eintrittsstutzen für das zu behandelnde Medium seitlich an der Eintrittskammer angeordnet ist, der Eintrittsstutzen mittels eines Rohres, das durch die Seitenwand des Innenbehälters hindurchgeführt ist, mit dem Auslauf verbunden ist und um den Auslauf des Innenbehälters herum mehrere Öffnungen angeordnet sind.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß das im internen Kreislauf geführte Wirbelgut beim Abschalten und Anfahren eine ganze Reihe von Schwierigkeiten mit sich bringt. So muß in jedem Fall die Eintrittskammer so bemessen sein, daß die Rohre nicht in das sich nach dem Abschalten in der Eintrittskammer sammelnde Wirbelgut eintauchen, da andernfalls das Anfahren problematisch ist. Je größer aber die Eintrittskammer ist, desto schwieriger wird es, die Feststoffpartikel beim Anfahrvorgang in die Heizrohre zu fördern, da die Strömungsgeschwindigkeit in der Eintrittskammer gering ist und die Gefahr besteht, deß ein zu großer Teil der Feststoffpartikel auch im stationaren Betrieb in der Eintrittskammer verbleibt.

Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschicht-Wärmetauscher durch den Einbau des Innenbehälters vermieden. In diesem Innenbehälter sammelt sich beim Abschalten oder bei einem Systemausfall das gesamte Wirbelgut, wobei der Abstand des oberen Randes des Innenbehälters so groß gewählt ist, daß selbst bei ungünstiger Verteilung ein Eintauchen der Aufstiegsrohre in das Wirbelgut nicht vorkommen kann.

Dadurch wird die Strömung in die Rohre hinein beim Anfahren nicht durch Feststoffpartikel behindert, was die Anfahrphase deutlich verkürzt.

Das zu behandelnde Medium wird gemäß der Erfindung über einen seitlich angeordneten Eintrittsstutzen in die Eintrittskammer, d. h. genauer gesagt in den Zwischenraum zwischen Behältermantel und Innenbehälter eingeleitet. Dazu ist der Eintrittsstutzen über ein Rohr mit dem zentralen Auslauf im Bodenteil des Innenbehälters verbunden, und zwar so, daß das zu behandelnde Medium weder an der Stelle des Eintrittsstutzens in den genannten Zwischenraum noch im weiteren Verlauf in den Innenraum des Innenbehälters gelangen kann. Es strömt aus dem Auslauf aus und wird radial in den Zwischenraum zwischen Bodenteil des Innenbehälters und dem Behälterboden verteilt. Im Bereich um den Auslauf sind Öffnungen im Bodenteil des Innenbehälters angeordnet, durch die sich in dem Innenraum befindlichen Feststoffpartikel in den Zwischenraum zwischen dem Bodenteil des Innenbehälters und dem Behälterboden gelangen und von der Strömung des zu behandelnden Mediums mitgenommen werden. Dies ist beim Anfahren der Fall, aber auch im stationären Betrieb, wenn einzelne Feststoffpartikel in den Innenbehälter gelangt sein sollten.

Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß für den Anfahrvorgang extrem günstige Widerstandsverhältnisse vorliegen. Da nach dem Abschalten nur eine sehr geringe Menge des Wirbelgutes durch die Öffnungen in den Zwischenraum gelangt, wird der gesamte Strömungsquerschnitt praktisch sofort freigeräumt, und das Wirbelgut wird erst nach und nach aus dem Innenbehälter abgezogen und in das Rohrbündel transportiert. Es wird aber auch dafür Sorge getragen, daß im stationären Betrieb die gesamte Eintrittskammer einschließlich des Innenbehälters praktisch frei von Feststoffpartikeln ist. Das bedeutet, daß die eingesetzte Menge Wirbelgut optimal ausgenutzt wird oder umgekehrt, daß für die erforderliche Reinigungswirkung die eingesetzte Menge an Wirbelgut minimiert wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß durch die syphonartige Ausbildung des Einlaufes eine Rückströmung des Wirbelgutes beim Abschalten oder bei einem Systemausfall praktisch nicht auftritt, d. h. praktisch keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich sind, da Feststoffpartikel, nachdem die Strömung zum Stillstand kommt, erst allmählich nach unten sinken und sich im Innenbehälter sammeln.

Die seitliche Zuführung des zu behandelnden Mediums hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Bauhöhe nicht durch den üblichen, untenliegenden Zulauf mit Krümmer unnötigt vergrößert wird. Es kann unter Umständen sogar auf einen sonst notwendigen, teueren Kompensator verzichtet werden.

Die Feststoffpartikel werden von dem zwischen dem Bodenteil des Innenbehälters und dem Behälterboden nach außen strömenden und zwischen der zylindrischen Wand des Innenbehälters und dem Behältermantel aufsteigenden zu behandelnden Medium nach oben transportiert. Der vertikale Ringspalt zwischen Behältermantel und Innenbehälter ist vorzugsweise so bemessen, daß die aufwärtsgerichtete Strömungsgeschwindigkeit darin größer ist als die Sinkgeschwindigkeit des einzelnen Feststoffpartikels. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch im stationären Betrieb auch einzelne Feststoffpartikel, die noch in den Innenbehälter zurückgeströmt sein könnten, wieder vollständig, und zwar auch einzeln, nach oben in die Wärmetauscherrohre transportiert werden und nicht erst dann, wenn sie infolge Ansammlung durch Schwarmbildung dann schließlich doch mitgenommen würden. Das hat den weiteren Vorteil, daß die Strömungsverluste in diesem Zwischenraum gering gehalten werden. Eine besonders günstige Ausführungsform besteht darin, den Eintrittsstutzen horizontal und radial anzuordnen, das Rohr gerade auszuführen, es radial bis in den Innenraum des Innenbehälters zu führen und den Anschluß an den Auslauf über einen 90°-Krümmer - ggfs. über ein weiteres, vertikales Rohrstück - herzustellen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, im Zentrum des Behälterbodens eine Ablaßöffnung für den Abzug des Wirbelgutes und die Restentleerung vorzusehen, die im Betriebszustand mit einem Deckel verschlossen ist.

Durch die zentrale Anordnung an der tiefstliegenden Stelle ist ein vollständiger Abzug sowohl des gesamten Wirbelgutes als auch der Restflüssigkeit ohne besondere Hilfseinrichtungen möglich.

Es ist günstig, den Deckel auf seiner Innenseite mit einem kegelförmigen, vorzugsweise konkav ausgebildeten, Ansatz zu versehen, da hierdurch eine einwandfreie, widerstandsarme Strömungsführung beim Eintritt des zu behandelnden Mediums in den Zwischenraum zwischen Bodenteil des Innenbehälters und Behälterboden und eine völlig gleichmäßige radiale Verteilung erreicht wird.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den Auslauf durch ein Leitblech derart hydraulisch gerundet auszuführen und den Abstand zwischen dem Bodenteil des Innenbehälters und dem Behälterboden so zu bemessen, daß sich beim Einlauf in den Zwischenraum eine beschleunigte Strömung einstellt. Dabei entsteht örtlich d. h. im Bereich der um den Auslauf angeordneten Öffnungen ein Unterdruck, so daß durch die Ejektorwirkung ein Teil des im Innenraum des Innenbehälters befindlichen Mediums abgesaugt wird. Zusammen mit diesem Teilstrom werden im Innenraum des Innenbehälters befindliche Feststoffpartikel mit abgesaugt und zusammen mit dem Hauptstrom des zu behandelnden Mediums radial nach außen bewegt.

Es kann zur Vergleichmäßigung der Strömung sowie zur besseren und gleichmäßigeren Verteilung der Feststoffpartikel auf den gesamten Wärmetauscherquerschnitt günstig sein, unterhalb des unteren Rohrbodens d. h. zwischen den Enden der Wärmetauscherrohre und dem Innenbehälter einen Lochboden vorzusehen. Die mit dem zu behandelnden Medium nach oben getragenen Feststoffpartikel werden, sobald sie in die Nähe der Bohrungen des Lochbodens gelangen, nach oben weitertransportiert, weil euch innerhalb der Bohrungen die Strömungsgeschwindigkeit größer als deren Sinkgeschwindigkeit ist.

Ein gewisser Teil der Partikel fällt in den Innenbehälter zurück und wird auf dem beschriebenen Weg erneut nach oben befördert.

Ein weiterer Vorteil eines solchen Lochbodens besteht darin, daß die durch die Rückführrohre nach unten geführten Feststoffpartikel aus dem oberhalb des Lochbodens liegenden Teil der Eintrittskammer wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit in den Löchern nicht wieder in den unteren Teil der Eintrittskammer zurückwandern können; es bildet sich somit oberhalb des Rohrbodens ein Partikelstau.

Zur weiteren Vergleichmäßigung der Strömung können bei Bedarf über dem ersten Lochboden weitere Lochböden eingebaut werden.

In der Figur - einem schematischen Längsschnitt - ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung von Wärme - ein sogenannter Wirbelschicht-Wärmetauscher - besteht im wesentlichen aus einer untenliegenden Eintrittskammer 1 mit Eintrittsstutzen 2 für das zu behandelnde Medium, einer obenliegenden Austrittskammer 3 mit Austrittsstutzen 4 für das behandelte Medium und einem aus Wärmetauschrohren gebildeten Rohrbündel, das in einem unteren Rohrboden 5 und einem oberen Rohrboden 6 gehalten und von einem Behältermantel 7 umgeben ist. Der größere Teil der Wärmeaustauschrohre dient als Aufstiegsrohre 8 für das zu behandelnde Medium, während der Rest die Rückführrohre 9 für die im internen Kreislauf geführten Feststoffpartikel 10, das Wirbelgut, darstellt. Das Heiz- oder Kühlmedium wird über den Zuführstutzen 11 zugeführt, umströmt die Wärmeaustauschrohre 8 und 9 und verläßt den Wärmetauscher über den Ablaufstutzen 12. Im unteren Teil der Eintrittskammer 1 ist ein Innenbehälter 13 angeordnet, so daß zwischen diesem und dem Behältermantel 7 ein Zwischenraum 14 gebildet wird. Im Bodenteil 15 des Innenbehälters 13 sind um den zentralen Auslauf 16 herum Öffnungen 17 für das Wirbelgut 10 angeordnet.

Im Ausführungsbeispiel ist der Auslauf 16 mit einem Leitblech 18 zur Erzeugung einer Ejektorwirkung versehen. Im Zentrum des Behälterbodens 19 ist eine Auslaßöffnung vorhanden, die im Betriebszustand mit einem Deckel 20 verschlossen ist, der im Ausführungsbeispiel mit einem kegelförmigen, konkav ausgebildeten Ansatz 21 ausgestattet ist. An den Eintrittsstutzen 2 schließt sich ein gerades Rohr 22 und daran ein 90°-Krümmer 23 an, der in diesem Falle direkt mit dem Auslaß 16 verbunden ist. Der Innenraum 24 des Innenbehälters 13 ist so bemessen, daß er das gesamte Wirbelgut 10 aufnehmen kann. Im Ausführungsbeispiel sind zwischen Innenbehälter 13 und den Enden der Rückführrohre 9, die in den oberen Teil der Eintrittskammer 1 hineinragen, zwei Lochböden 25 angeordnet.

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 (7)

1. Vorrichtung zur Übertragung von Wärme mit einem aus Wärmeaustauscherrohren gebildeten und in Rohrböden gehaltenen, stehenden Rohrbündel, das von einem Behältermantel umgeben ist, wobei der größere Teil der Wärmeaustauschrohre als Aufstiegsrohre für ein zu behandelndes, mit Feststoffpartikeln beladenes Medium und die restlichen Wärmeausstauschrohre als Rückführrohre für die im internen Kreislauf zu führenden Feststoffpartikel - das Wirbelgut - dient, einer untenliegenden Eintrittskammer mit Eintrittsstutzen für das zu behandelnde Medium sowie einer obenliegenden Austrittskammer mit Austrittsstutzen für das behandelte Medium gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - in der Eintrittskammer (1) ist ein Innenbehälter (13) mit einem zentralen Auslauf (16) im Bodenteil (15) angeordnet, dessen Fassungsvermögen so bemessen ist, daß er das gesamte Wirbelgut (10) aufnehmen kann,
• - zwischen dem Innenbehälter (13) und dem Behältermantel (7) wird ein Zwischenraum (14) gebildet,
• - der Eintrittsstutzen (2) für das zu behandelnde Medium ist seitlich an der Eintrittskammer (1) angeordnet, der Eintrittsstutzen (2) ist mittels eines Rohres (22), das durch die Seitenwand des Innenbehälters (13) hindurchgeführt ist, mit dem Auslauf (16) verbunden
• - um den Auslauf (16) des Innenbehälters (13) herum sind mehrere Öffnungen (17) angeordnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite des Zwischenräumes (14) so bemessen ist, daß die Geschwindigkeit der Aufwärtsströmung in diesem Ringspalt größer ist als die Sinkgeschwindigkeit des einzelnen Feststoffpartikels (10).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsstutzen (2) horizontal und radial angeordnet, das Rohr (22) bis in den Innenraum (24) des Innenbehälters (13) gerade ausgebildet ist und mit einem 90°-Krümmer (23) an den Auslauf (16) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Behälterbodens (19) eine Auslaßöffnung vorgesehen ist, die im Betriebszustand mit einem Deckel (20) verschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (20) mit einem kegelförmigen, vorzugsweise konkav ausgebildeten, nach innen ragenden Ansatz (21) versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Auslauf (16) durch ein Leitblech (18) derart hydraulisch gerundet ausgeführt und der Abstand zwischen dem Bodenteil (15) des Innenbehälters (13) und Behälterboden (19) so bemessen ist, daß sich im Bereich der Öffnungen (17) eine beschleunigte Strömung einstellt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Innenbehälters (13) ein oder mehrere Lochböden (25) angeordnet sind.