DE4108744C1 - Gas heating jacketed regenerator with heat storage medium - has central chamber surrounded by layer of pebbles or granular material - Google Patents
Gas heating jacketed regenerator with heat storage medium - has central chamber surrounded by layer of pebbles or granular materialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Regenerator gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Solche Regeneratoren werden für die Erhitzung von Gasen auf Temperaturen über 800°C
verwendet. Dabei wird Wärmeenergie zunächst auf ein Speichermedium übertragen, dieses
danach durch Einblasen von Kaltgas wieder abgekühlt, wobei es auf diese Weise erhitzt wird.
Für eine kontinuierliche Erhitzung von Gasen müssen mindestens zwei Regeneratoren
vorhanden sein, von denen der eine jeweils beheizt wird und damit Wärme speichert, während
der zweite gespeicherte Wärme an eingeblasenes Kaltgas abgibt und dieses erwärmt.
So ist es heutzutage beispielsweise im Hochofenbetrieb üblich, Heizwind mit einer Temperatur
von 1200°C zu erzeugen. Dies bedeutet in der Praxis, daß zur Erreichung dieser Temperatur in
der Heizphase die Verbrennung so geführt werden muß, daß eine theoretische Flammentemperatur
von ca. 1500°C gegeben ist. Dies ist jedoch deshalb unbefriedigend, weil dieses
Temperaturniveau nicht mehr mit dem im Hochofen erzeugten Gichtgas erreicht werden kann,
da die Maßnahmen zur Erhöhung der Gasausnutzung und damit zur Senkung des
Koksverbrauches derart erfolgreich waren, daß in der Regel ein Gichtgas mit einem Heizwert
unter 3000 KJ/Nm anfällt. Mit einem solchen Gas läßt sich nur eine theoretische
Flammentemperatur von wenig mehr als 1000°C erreichen, es ist daher die zusätzliche
Verfeuerung von Erdgas in beträchtlichem Umfange notwendig und üblich.
Es hat nun in den zurückliegenden Jahren nicht an Vorschlägen gemangelt, die diesen Nachteil
beheben sollten. Der grundsätzliche Weg zur Verbesserung des Wirkungsgrades von
Regeneratoren ist bekannt. Er führt im Prinzip zu einer drastischen Vergrößerung der
Oberfläche des Speichermediums, die im bevorzugten Fall erreicht wird durch den Ersatz des
üblichen Gittermauerwerks eines Speichermediums durch ein Schüttgut möglichst einheitlicher
Körnung, wie es beispielsweise durch Pelletieren erzeugt werden kann. Ein solcher
Regenerator ist in der US-PS 22 72 108 beschrieben, insbesondere auch das aus Pellets bestehende
Speichermedium.
Nach dieser Druckschrift sollen die Pellets eine durchschnittliche Dicke bzw. einen
durchschnittlichen Durchmesser zwischen 2 bis 12,5 cm aufweisen, wobei weiter
vorgeschlagen wird, Pellets unterschiedlicher Größe in unterschiedlichen Bereichen des
Speichermediums bezüglich des Eintritts der heißen Gase in dieses bzw. des Austritts der heißen
Gase aus diesem heraus anzuordnen.
Nachdem die Pellets jedoch als Schüttgut zwischen zylindrischen Wandungen verhältnismäßig
großer Höhe angeordnet sind und diese Wände Öffnungen für den Durchgang der Heizgase
einerseits und des zu erhitzenden Kaltgases andererseits aufweisen, ist die Größe der Pellets
auch in Abhängigkeit dieser Öffnungen zu wählen, insbesondere ist selbstverständlich zu
verhindern, daß die Pellets durch diese Öffnungen hindurchfallen.
Hierbei stellt die größenmäßige Ausbildung der Öffnungen in der aus Stahl hergestellten
äußeren zylindrischen Wandung kein Problem dar, hier können die Öffnungen verhältnismäßig
klein ausgebildet werden.
Problematisch ist dagegen die Ausbildung solcher Öffnungen in der inneren zylindrischen
Wandung, diese kann nämlich nicht aus Stahl hergestellt werden, da sie von den Heizgasen
mit einer zu großen Hitze beaufschlagt wird und nicht standhalten würde. Aus diesem Grunde
ist diese zylindrische Wandung aus einem hoch hitzebeständigen, beispielsweise keramischen
Material hergestellt,
wie es aus der EP-OS 03 73 450 bekannt ist,
wobei es Schwierigkeiten bereitet, besonders kleine Öffnungen in einem
solchen nur Druckbelastungen standhaltenden Material vorzusehen. Da die Öffnungen in einer
solchen Wandung deshalb verhältnismäßig groß sind, müssen folglich auch die Abmessungen
der Pellets entsprechend groß gewählt werden.
Andererseits wird aber der Wirkungsgrad des Regenerators naturgemäß entscheidend von der
Korngröße der Schüttung beeinflußt. So läßt sich in der Tat mit Pellets handelsüblicher Größe
im Bereich von 5 bis 15 mm Durchmesser die für den Wärmetausch wirksame Oberfläche im
Vergleich zur früher bekannten Gittermauerung bzw. zu den vorbeschriebenen Pellet-Größen
nach der US-PS 22 72 108 derart erhöhen, daß nur noch eine unbedeutende
Temperaturdifferenz zwischen Speicherteilchen einerseits und Gasen andererseits besteht.
Aus dem Einfluß des Speicherteilchendurchmessers auf den Wärmeübergang und den
Druckverlust läßt sich mathematisch herleiten, daß dieser in der Schüttung auf extrem kleine
Werte gesenkt werden kann, wobei es aber offensichtlich ist, daß die Anwendung dieser
Gesetzmäßigkeiten an andere Grenzen stößt, die hier nicht weiter erläutert werden sollen.
Wesentlich ist jedoch, daß mit der Kombination aus großer Rostfläche, niedriger Betthöhe bzw.
-dicke und kleinem Speicherteilchendurchmesser der Wärmeübergang bei gleichzeitig geringer
Temperatur- und Druckdifferenz erreichbar ist, was zu einem wesentlich verbesserten
Temperaturverhalten des Regenerators führt.
Um Pellets von möglichst kleinem Durchmesser verwenden zu können, wäre es ideal, einen
Schüttgutgenerator herzustellen, welcher von gegenüber bekannten Hochofenwinderhitzern nur
eine verhältnismäßig geringe Höhe, dafür aber einen wesentlich größeren Durchmesser und
damit eine sehr große Grundfläche aufweist, welche Öffnungen für die durchzuführenden Gase
aufweist und auf welcher das Schüttgut aus möglichst kleinen Pellets, jedoch mit niedriger
Betthöhe aufliegt. Von der Verwirklichung einer solchen Lösung nimmt man aber Abstand,
denn ein so ausgebildeter Regenerator würde eine verhältnismäßig große Kuppel aufweisen,
welche nur mit sehr aufwendigen Mitteln mit einer Temperatur-Isolierung ausgekleidet werden
könnte, auch würde es Schwierigkeiten bereiten, eine Schüttgutschicht in notwendiger
konstanter Dicke herzustellen und eim Einblasen des Heizgases bzw. des Kaltgases
aufrechtzuerhalten, wie sie für den Betrieb eines solchen Schüttgutgenerators notwendig wäre.
Schließlich ist auch der verhältnismäßig große Rauminhalt der Kuppel eines solchen
Schüttgutgenerators von Nachteil, da er erhöhte Gasverluste beim Umschalten zur Folge hat,
auch wäre der Wärmeverlust der großen Kuppelfläche, welche ständig die Maximaltemperatur
aufweist, nicht mehr zu vernachlässsigen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Regenerator gemäß Oberbegriff des
Hauptanspruchs und insbesondere hinsichtlich der besonders hohen Temperaturen
ausgesetzten inneren zylindrischen Wandung so auszubilden, daß als Speichermasse Pellets
von besonders kleinen Abmessungen verwendet werden können, wobei die innere zylindrische
Wandung bereits selbst die Vorteile solcher besonders kleinen Pellets in bezug auf den
Wärmetausch aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die einzelnen Bausteine
einen Hohlraum aufweisen, welcher sich in den Zwischenraum
Raum mit dem Wärmespeichermedium öffnet, wobei der Hohlraum mit einem besonders
feinkörnigen Schüttgut ausgefüllt ist und eine, ausgehend von der dem
Innenraum zugewandten Wandung des Bausteines in den mit
Schüttgut ausgefüllten Hohlraum hineinreichende Sacklochbohrung vorgesehen ist.
Diese erfindungsgemäße Ausbildung des Bausteines gewährleistet, daß der nicht unmittelbar
zur Wärmeübertragung bzw. zum Wärmetausch dienende Materialanteil der einzelnen
Bausteine bzw. der gesamten, aus solchen Bausteinen zusammengesetzten innerenWandung
verhältnismäßig gering ist, weiterhin durch die vorgesehene Sacklochbohrung die Heizgase
bzw. die aufzuheizenden Kaltgase verhältnismäßig widerstandslos in das Schüttgut eindringen
und den Wärmetausch vornehmen können. Insbesondere gewährleistet diese
Bausteinausbildung aber, daß durch die dadurch möglich gewordene Verwendung von
Speicherteilchen mit vorteilhaft sehr kleinen Abmessungen der von solchen Teilchen freie
Raum minimal ist und damit Gasverluste beim Umschalten gering werden.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen
nachstehend näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schüttgut-Regenerator mit einem Regenerator-Gefäß in
Form einer Kugel,
Fig. 2 einen Schüttgut-Regenerator mit einem Regenerator-Gefäß in
Form eines Zylinders und
Fig. 3 einen die innere Wandung bildenden Baustein.
Der in den Figuren dargestellte Schüttgut-Regenerator weist ein Gehäuse 1 auf, wlches, wie in
Fig. 1 dargestellt, von der Form einer Kugel, oder, wie in Fig. 2 dargestellt, von der Form eines
aufrechtstehenden Zylinders sein kann.
Der Innenraum des Gehäuses 1 ist im wesentlichen durch zwei zylindrisch ausgebildete und in
einem Abstand voneinander konzentrisch angeordnete Wandungen 2 bzw. 3 in einen ringförmigen
Sammelraum 4, einen das schüttgutförmige Speichermedium 5 aufnehmenden hohlzylinderförmigen
Zwischenraum 6 und einen zylindrischen Innenraum 7 unterteilt.
Im ausgemauerten Bodenbereich 8 des Gehäuses 1 sind Zuführungen 9 für die Heizgase oder
eventuelle Brennvorrichtungen vorgesehen, auf diesem Bodenbereich 8 steht die den
Innenraum 7 bildende innere zylindrische Wandung 3, welche im oberen Bereich des
Gehäuses 1 in einen Auslaß 10 mündet, aus welchem die aufgeheizten Kaltgase austreten.
Der Sammelraum 4 ist mit verschließbaren Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 11 bzw. 12 versehen,
durch welche die aufzuheizenden Kaltgase in das heiße Speichermedium eintreten bzw. die
Heizgase nach der Wärmeabgabe an das Speichermedium austreten.
Die äußere Wandung 2 besteht aus einem herkömmlichen Stahl-Rost, welcher entsprechend
klein dimensionierte Öffnungen 13 aufweist, so daß die das schüttgutförmige Speichermedium
bildenden Pellets nicht durch diese Öffnungen 13 hindurchtreten können.
Die innere Wandung 3 besteht im wesentlichen aus einzelnen Bausteinen 14, hierzu wird auf
Fig. 3 verwiesen, welche eine vergrößerte und perspektivische Darstellung eines solchen
Bausteines zeigt.
Die aus solchen Bausteinen 14 hergestellte innere Wandung 3 muß hoch hitzebeständig sein,
eine Verwendung metallischer Baustoffe kommt deshalb nicht in Frage.
Bevorzugt wird ein keramisches Material verwendet, wobei die massiven, also keine
Duchlässe aufweisenden Teile des einzelnen Bausteines möglichst gering im Verhältnis zu
dessen Gesamtvolumen ausgebildet sein sollen.
Dazu weist der in Fig. 3 abgebildete Baustein 14 einen Hohlraum 15 auf, welcher nach allen
Seiten des Bausteines 14 durch die jeweiligen keramischen Wandungen abgeschlossen ist, mit
Ausnahme derjenigen Wandung 16, welche sich in den mit dem schüttgutförmigen
Speichermedium 5 versehenen Zwischenraum 6 erstreckt. Dieser Hohlraum 15 ist mit besonders
feinkörnigem Schüttgut 17 ausgefüllt, wobei die Pellets dieses Schüttguts mit einem hitzebeständigen Kleber
untereinander verfestigt und gegen Herausfallen aus dem Baustein 14 gesichert sind.
Die der Wandung 16 gegenüberliegende Wandung 18, welche sich in den zylindrischen
Innenraum 7 des Regenerators erstreckt, weist eine Sacklochbohrung 19 auf, welche sich
verhältnismäßig weit in den mit Pellets 17 ausgefüllten Hohlraum 15 erstreckt und den Eintritt
der Heizgase in das Speichermedium bzw. den Austritt der aufgeheizten Kaltgase in den
Innenraum 7 des Regenerators erlaubt.
Der zylinderringförmige Zwischenraum 6, welcher das aus Pellets bestimmter Abmessungen
bestehende und das Speichermedium bildende Schüttgut aufnimmt, weist an seinem oberen
Ende Einlässe 20 zum Nachfüllen von Schüttgut auf, am unteren Ende des Regenerators
sind Auslässe 21 vorgesehen.
Vorteilhaft weist der Baustein 14 gemäß Fig. 3 eine teilweise konische Form auf, nämlich die
Breite b der Wandung 18 auf der Innenseite ist geringer als die Breite B der Wandung 16 auf der Außenseite. Höhe H und Länge L
des Bausteines 14 sind auf allen Seiten gleich.
Diese vorbeschriebene Ausbildung insbesondere der inneren Wandung 3 des Regenerators
erlaubt nun die Verwendung von Pellets im Zwischenraum 5 von besonders kleinen und bisher
nicht möglichen Abmessungen, dies deshalb, da ein einwandfreier Übertritt der Heizgase
einerseits bzw. der aufzuheizenden Kaltgase andererseits in das Speichermedium
gewährleistet wird.
Der Betriebsvorgang dieses energieoptimierten Regenerators stellt sich wie folgt dar.
Nachdem durch die Einlaßöffnungen 20 der Zwischenraum 6 vollständig mit Pellets ausgefüllt
ist, werden durch die Öffnungen 9 bzw. dort eingebaute Brenner Heizgase eingeleitet bzw.
erzeugt, welche in den Innenraum 7 des Regenerators einströmen, wobei die Auslaßöffnung 10
des Innenraumes 7 geschlossen ist. Die Heizgase treten durch die Bohrungen 19 in die mit sehr
kleinen Pellets gefüllten Innenräume der Bausteine 14 und weiter in den mit Pellets
ausgefüllten Zwischenraum 6 ein und heizen das Speichermedium 5 auf. Danach verlassen die
Heizgase das Speichermedium durch die Öffnungen 13 in der rostförmigen Wandung 2 in den
Sammelraum 4 und verlassen diesen durch die Auslaßöffnung 12.
Nach Beendigung der Aufheizphase wird der Regenerator "umgeschaltet", d. h. die
Einlaßöffnungen 9 werden geschlossen bzw. die dort befindlichen Brenner abgeschaltet, die
Auslaßöffnung 12 wird geschlossen und anschließend die Einlaßöffnung 11 für die aufzuheizenden
Kaltgase geöffnet. Das Kaltgas strömt nun in den Sammelraum 4 und von dort durch
die Öffnungen 13 in der Wandung 2 in das heiße Speichermedium 5, erhitzt sich dort und tritt
durch die Bausteine 14 und deren Bohrungen 19 in den Innenraum 7 ein und wird von dort
durch die Auslaßöffnung 10 abgeleitet.
Dieser Regenerator zeigt mehrere Vorteile, nämlich zunächst kommt das die Außenwand bildende Gehäuse 1 des
Regenerators fast nur mit kalten Gasen in Berührung, dadurch sind die Wandverluste an
Wärmeenergie minimal, die Ausbildung einer besonderen Kuppel ist bei einem solchen
Regenerator-Gefäß nicht erforderlich. Insbesondere ist aber der von Speicherteilchen freie
Raum minimal, wodurch Gasverluste beim Umschalten gering werden.
Claims (6)
1. Regenerator zum Aufheizen von Gasen mit einem zwischen zwei im wesentlichen zylindrisch
ausgebildeten und in einem Abstand voneinander konzentrisch angeordneten Wandungen
vorgesehenen Zwischenraum, in dem ein aus einem Schüttgut bestehendes Wärmespeichermedium
angeordnet ist, wobei die äußere Wandung aus einem Stahlrost besteht und die
innere Wandung aus Bausteinen zusammengesetzt ist, welche aus hoch hitzebeständigem,
beispielsweise keramischem Material bestehen und Durchlässe aufweisen und wobei zwischen
der äußeren Wandung einerseits und dem Gehäuse des Regenerators andererseits ein Sammelraum
eingeschlossen ist, und wobei der Sammelraum, der das Wärmespeichermedium aufnehmende
Zwischenraum und der von der inneren Wandung eingeschlossene Innenraum Ein-
bzw. Auslässe für den Zu- bzw. Austritt von Gasen und/oder Schüttgut aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bausteine (14) einen Hohlraum (15)
aufweisen, welcher sich in den Zwischenraum (6) mit dem Wärmespeichermedium (5) öffnet,
wobei der Hohlraum (15) mit einem besonders feinkörnigen Schüttgut (17) ausgefüllt ist und
eine, ausgehend von der dem Innenraum (7) zugewandten Wandung (18) des Bausteines (14)
in den mit Schüttgut (17) ausgefüllten Hohlraum (15) hineinreichende Sacklochbohrung (19)
vorgesehen ist.
2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut
(17) im Hohlraum (15) durch einen hitzebeständigen Kleber verfestigt ist.
3. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite b der
Wandung (18) auf der Innenseite des Bausteines (14) kleiner ist als die Breite B der Wandung
(16) auf der Außenseite.
4. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(1) des Regenerators die Form eines stehenden Zylinders aufweist.
5. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(1) des Regenerators die Form einer Kugel aufweist.
6. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(1) des Regenerators die Form eines Doppelkegelstumpfes aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914108744 DE4108744C1 (en) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | Gas heating jacketed regenerator with heat storage medium - has central chamber surrounded by layer of pebbles or granular material |
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DE19914108744 DE4108744C1 (en) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | Gas heating jacketed regenerator with heat storage medium - has central chamber surrounded by layer of pebbles or granular material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4108744C1 true DE4108744C1 (en) | 1992-08-27 |
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ID=6427549
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