DE4020575A1

DE4020575A1 - Rekuperator

Info

Publication number: DE4020575A1
Application number: DE4020575A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Kainer; Juergen Sommerer; Roland Reichenauer
Original assignee: Didier Werke AG
Current assignee: Didier Werke AG
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1992-01-02
Also published as: GB9113777D0; GB2247945A; FR2664034A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Rekuperator, mit zwei konzentrischen, ineinander angeordneten Rohren unterschiedlichen Durchmessers, wobei das keramische Außenrohr an seinem einen Ende verschlossen 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 Rekuperativkoksofen 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, einen keramischen Rekuperator 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 ein derartiger Rekuperator wirtschaftlich für die industrielle Wärmerückgewinnung, wie z. B. der Ofenabgase zum Vorwärmen der Verbrennungsluft eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das keramische Außenrohr 2 aus SiSiC- oder SSiC-Werkstoff besteht und bei einem Außendurchmesser (D_A) des Außenrohrs von 0,06 bis 0,1 m, einer wirksamen Rohrlänge (R_L) von 1 bis 2,5 m und einer Temperatur des wärmeabgrenzenden Fluids (T_u) von 800°C bis 1600°C, der Außendurchmesser (D_I) des Innenrohrs das 0,9- bis 1,1fache von

(0,82 · D_A² + 0,43 · D_A) · (1,325-T_u/4000)

und der Volumenstrom () des zu erwärmenden Fluids das 0,9- bis 1,1fache von

beträgt. Die Werte für D_A [m], T_u [°C] und R_L [m] sind hierbei betragsmäßig einzusetzen. Der Außendurchmesser D_I des Innenrohrs ergibt sich in der Einheit [m], der Volumenstrom V des zu erwärmenden Fluids in der Einheit [m³/h], bezogen auf Normalbedingungen.

Untersuchungen haben gezeigt, daß hierdurch eine optimale Betriebskonfiguration eines Doppelrohr-Rekuperators erreicht wird. Geht man nämlich nach der Erfindung vor, so wird überraschenderweise mit einer maximalen Wärmeübertragung auch die Austrittstemperatur des zu erwärmenden Fluids sehr hoch bzw. der Druckverlust relativ gering. 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 (Temperatur des zu erwärmenden Fluids beim Austritt aus dem Innenrohr) größer als die Austrittstemperatur 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 Strahlungsmission hat sich der Werkstoff SiSiC aufgrund seiner großen Oberflächenrauhigkeit erwiesen, so daß auch im Rahmen des Erfindungsgedankens vorteilhafterweise das Außenrohr und das Innenrohr aus SiSiC (siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid) oder SSiC (gesintertes Siliziumcarbid) bestehen sollten. Die Rohre haben eine Wandstärke von 2 bis 8 mm. Die Verwendung des keramischen Materials läßt die Rohrwände im Gegensatz zu Stahl als nahezu "schwarze" Strahler erscheinen.

Der Volumenstrom des zu erwärmenden Fluids sollte zweckmäßigerweise etwa 15 und 120 m³/h, vorzugsweise etwa 20 und 40 m³/h, jeweils bezogen auf Normalbedingungen, betragen.

Das Außenrohr und das Innenrohr sollte aus SiSiC- oder SSiC-Werkstoff bestehen.

Beispiele

1. Bei einem Außenrohr mit einem Außenrohrdurchmesser von D_A = 0,06 m und einer Temperatur des wärmeabgebenden Fluids von T_u = 800°C ergibt sich für das Innenrohr ein äußerer Durchmesser von D_I = 0,029 bis 0,036 m.
Bei einer wirksamen Rohrlänge von R_L = 1 m beträgt der Volumenstrom des zu erwärmenden Fluids = 19,4 bis 23,7 m³/hbei Normalbedingungen.
2. Bei einem Außenrohr mit einem Außenrohrdurchmesser von D_A = 0,08 m und einer Temperatur des wärmeabgebenden Fluids von T_u = 1200°C ergibt sich für das Innenrohr ein äußerer Durchmesser von D_I = 0,034 bis 0,042 m.
Bei einer wirksamen Rohrlänge von R_L = 2,3 m beträgt der Volumenstrom des zu erwärmenden Fluids = 75,4 bis 92,1 m³/hbei Normalbedingungen.
3. Bei einem Außenrohr mit einem Außenrohrdurchmesser von D_A = 0,1 m und einer Temperatur des wärmeabgebenden Fluids von T_u = 1400°C ergibt sich für das Innenrohr ein äußerer Durchmesser von D_I = 0,045 bis 0,055 m.
Bei einer wirksamen Rohrlänge von R_L = 1,5 m beträgt der Volumenstrom des zu erwärmenden Fluids = 68,7 bis 84,0 m³/hbei Normalbedingungen.

Anhand der beiliegenden Zeichnung ist ein keramischer Doppelrohr-Rekuperator 1 zur 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, untersützt 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 keramischen oder metallischem Material bestehen.

Bezugszeichenliste

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

Claims

1. Keramischer Rekuperator (1) mit zwei konzentrischen, ineinander angeordneten Rohren (2, 3) unterschiedlichen Durchmessers (D_A, D_I), wobei das keramische 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 das keramische Außenrohr (2) aus SiSiC- oder SSiC-Werkstoff besteht und bei einem Außendurchmesser (D_A) des Außenrohrs von 0,06 bis 0,1 m, einer wirksamen Rohrlänge (R_L) von 1 bis 2,5 m und einer Temperatur des wärmeabgebenden Fluids (T_u) von 800°C bis 1600°C, der Außendurchmesser (D_I) des Innenrohrs das 0,9- bis 1,1fache von (0,82 · D_A² + 0,43 · D_A) · (1,325-T_u/4000)und der Volumenstrom () des zu erwärmenden Fluids das 0,9- bis 1,1fache von beträgt.

2. Keramischer Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom () des zu erwärmenden Fluids 15 bis 120 m³/h, vorzugsweise 20 bis 40 m³/h, jeweils bezogen auf Normalbedingungen, beträgt.

3. Keramischer Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (2) und das Innenrohr (3) aus SiSiC- oder SSiC-Werkstoff besteht.