DE4129092C2 - Feuerfestes Formsteinelement zum Einsatz in Wärmetauschern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein feuerfestes Formsteinelement zum Einsatz in Wärmetauschern, hergestellt aus einem schmelzge­ formten feuerfesten Material in Form eines Rohres, mit einer Wanddicke von 35-75 mm, wobei an der Innenseite und der Außenseite der Rohrwandung konkave Bereiche vorhanden sind, wobei das Gesamtvolumen des Formsteinelements das 0,4- bis 0,85-fache des Gesamtvolumens eines entsprechenden Formsteinelements ohne konkave Bereiche beträgt, die Ober­ fläche pro Volumeneinheit mindestens das 1,5-fache der Oberfläche eines entsprechenden Formsteinelements ohne konkave Bereiche beträgt, und wobei die Anordnung der konkaven Bereiche an der Innen- und Außenseite der Rohrwandung derart versetzt ist, daß die Wand im Längsschnitt eine schlangenlinienförmige Kontur aufweist und somit im wesentlichen durchgehend dieselbe Wanddicke aufweist.

Bei einem gebräuchlichen Glasschmelzofen sind in einem Wärmetauscher zahlreiche feuerfeste Formsteinelemente zusammengesetzt. Heißes Abgas wird dazu verwendet, um die feuerfesten Formsteinelemente zu erhitzen, so daß sekundäre Verbrennungsluft durch die erhitzten Formsteinelemente vor­ gewärmt wird. So werden zum Beispiel die heißen Abgase, die aus einer Auslaßöffnung einer Schmelzkammer austreten, üblicherweise in einen oberen Endbereich eines Wärmetau­ schers eingeführt und strömen anschließend aus dessen unterem Endbereich wieder aus. Währenddessen die heißen Abgase abwärts durch die durch die Formsteinelemente umgrenzten Durchtritte strömen, werden die Formsteinele­ mente erwärmt, so daß diese die wärme speichern. Dabei steigt die Temperatur der Formsteinelemente nach und nach an. Anschließend wird durch Schließen eines Ventiles der Abgasstrom gesperrt und man führt anschließend in einen unteren Endbereich des Wärmetauschers sekundäre Luft mit Raumtemperatur ein. Während die sekundäre Luft nach oben durch die Durchtrittskanäle des Wärmetauschers strömt, wird diese durch die bei hoher Temperatur gehaltenen Formstein­ elemente erwärmt. Ein derartiger Zyklus von entgegenge­ setztem Strömen wird durch Schalten eines Ventiles wieder­ holt, wodurch Abgas und Luft abwechslungsweise durch den Wärmetauscher strömt.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmetausches der­ artiger Formsteinelemente wurden verschiedene Formgebungen vorgeschlagen, damit der Wärmeübergangswert zwischen einem feuerfesten Formsteinelement und den heißen Abgasen erhöht werden kann.

Aus der US 4 874 034 sind feuerfeste Formsteinelemente für Wärmetauscher bekannt (siehe Fig. 4), bei denen jedes Formsteinelement eine weiter vergrößerte spezifische Ober­ fläche aufweist.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Zusammenbau an feuer­ festen Formsteinelementen sind zwei Arten an rohrförmigen Formsteinelementen 5, 6 vorhanden, von denen jedes eine Vielzahl an aneinandergereihten konvexen und konkaven streifenförmigen Bereichen 5a, 6a aufweist, die sich parallel zueinander an den Innen- und Außenwänden jedes Formsteinelementes erstrecken. Diese konvexen und konkaven streifenförmigen Bereiche 5a, 6a ver­ größern die spezifische Oberfläche des Formsteinelements und erzeugen turbulente Strömungen, wodurch der Wärme­ übergangs- oder -austauschwert bemerkenswert erhöht wird.

Jedes der Formsteinelemente weist vier Eckbereiche 7 auf, von denen jeder mit einem entsprechenden Eckbereich eines horizontal benachbarten Segments derart in Eingriff steht, daß konvexe streifenförmige Bereiche in Berührung mit kon­ kaven streifenförmigen Bereichen stehen, wodurch eine große Anzahl an Formsteinelementen in stabilem Zustand überein­ andergestapelt werden können.

Diese Formsteinelemente können eine spezifische Oberfläche aufweisen, die 40% oder größer ist, als die Fläche eines Formsteinelementes mit glatten Wänden ohne konkave Bereiche. Das Gesamtvolumen eines solchen Formsteinele­ mentes beträgt etwa das 0,75- oder das 0,78-fache des Gesamtvolumens eines entsprechenden Formsteinelementes ohne konkave Bereiche.

Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit gegen Alkali­ staub wurden anstelle von gebrannten feuerfesten Materia­ lien elektrogeschmolzene gegossene feuerfeste Materialien als Materialien für feuerfeste Formsteinelemente vor­ geschlagen, die Einsatz in Wärmetauschern finden sollen. Derartige elektrogeschmolzene gegossene feuerfeste Materia­ lien werden durch Elektroschmelzen von geeigneten Aus­ gangsmaterialien und anschließendem Druckgießen hergestellt, wodurch diese eine hervorragende Wärmebestän­ digkeit und eine dichte Struktur aufweisen. So haben elek­ trogeschmolzene gegossene feuerfeste Materialien besonders ausgezeichnete Widerstandsfähigkeiten gegen geschmolzenes Glas oder Alkali. Die Wärmeleitfähigkeit der elektroge­ schmolzenen gegossenen feuerfesten Materialien ist besser als die der gebrannten feuerfesten Materialien. Beispiele für elektrogeschmolzene gegossene feuerfeste Materialien sind Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Zirkoniumdioxid-Materia­ lien und Materialien aus Zirkoniumdixoid.

Die elektrogeschmolzenen feuerfesten Gußmaterialien können einfach dadurch in komplizierte räumliche Ausgestaltungen geformt werden, daß sie in eine Form gegossen werden. Diese Materialien sind jedoch im Vergleich mit gebrannten feuer­ festen Materialien sehr teuer.

Zur Reduzierung der Herstellungskosten ist es nützlich, die gebräuchlichen gebrannten feuerfesten Materialien in den Niedertemperaturbereichen und die elektrogeschmolzenen feuerfesten Materialien in den Hochtemperaturbereichen ein­ zusetzen. Üblicherweise sind die Niedertemperaturbereiche eines Wärmetauschers an dessen unterer Stelle angeordnet. Wird beispielsweise ein pfostenartiges oder röhrenartiges Formsteinelement mit einer Dicke von 65 oder 75 mm an einer unteren Stelle als Wärmetauscherformsteinelement ein­ gesetzt, so wird an einer oberen Stelle des Regenerators ein Hochtemperaturformsteinelement eingesetzt, das die selbe Dicke wie das Formsteinelement im Niedertemperatur­ bereich aufweist, so daß dadurch Strömungskanäle umgrenzt werden, die dieselbe Größe wie die Strömungskanäle der Formsteinelemente im Niedertemperaturbereich aufweisen. Wird beispielsweise ein rohrförmiges gebräuchliches gebranntes wärmebeständiges Formsteinelement mit einem rechteckigen Querschnitt und einer Dicke von 40 mm im Bereich der niederen Temperatur eingesetzt, so wird vorzugsweise in dem Hochtemperaturbereich ein elektroge­ gossenes hitzebeständiges Formsteinelement mit gleicher Dicke wie der des gebrannten Formsteinelements eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein feuerfestes Formsteinelement zum Einsatz in Wärmetauschern zu schaffen, bei dem der Wärmeübergang zwischen den Gasströmen und den Form­ steinelementen und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschwankungen verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein feuerfestes Formsteinelement zum Einsatz in Wärmetauschern gelöst, das aus einem schmelzgeformten feuerfesten Material in Form eines Rohres hergestellt ist und eine Wanddicke von 35-75 mm aufweist, wobei an der Innenseite und der Außenseite der Rohrwandung konkave Bereiche vorhanden sind, wobei das Gesamtvolumen des Formsteinelementes das 0,4- bis 0,85- fache des Gesamtvolumens eines entsprechenden Formstein­ elementes ohne konkave Bereiche beträgt, die Oberfläche pro Volumeneinheit mindestens das 1,5-fache der Oberfläche eines entsprechenden Formsteinelementes ohne konkave Bereiche beträgt, wobei die Anordnung der konkaven Bereiche an der Innen- und Außenseite der Rohrwandung derart ver­ setzt ist, daß die Wand im Längsschnitt eine schlangen­ linienförmige Kontur aufweist und somit im wesentlichen durchgehend dieselbe Wanddicke aufweist.

Aufgrund der schlangenlinienförmigen Kontur kann eine relativ gleichmäßige Wandstärke erzielt werden, die bei den andauernden Aufheiz/Abkühlzyklen in einem Wärmetauscher zu einer höheren Widerstandsfähigkeit gegenüber diesen schwan­ kenden Temperaturen beiträgt, da, über die Wandstärke gesehen, eine gleichmäßigere Erwärmung bzw. Abkühlung stattfinden kann. Auch der Wärmeaustausch mit Gasen ist dadurch verbessert. Durch die versetzte Anordnung der kon­ kaven Bereiche ist es möglich, diese mit einer Tiefe vor­ zusehen, die über die Hälfte der Wandstärke hinausgeht, was bei einer Wand, die an der Innen- und der Außenseite genau gegenüberliegende konkave Bereiche aufweist, nicht möglich wäre. Dadurch sind bei einem kleinen Gesamtvolumen eines Steines sehr hohe Oberflächen zu erzielen, wodurch der Wärmeaustausch gefördert wird.

Ferner können wände mit solch schlangenlinienförmiger Kontur leichter gegossen werden als Wände mit falten­ balgartiger Kontur, bei der relativ breite Bereiche von relativ engen Einschnürungen gefolgt sind, die ein starkes Hindernis beim Gießen darstellen.

Die konkaven Bereiche des feuerfesten Formsteinelementes können im Querschnitt kreisförmig oder winkelig ausgebildet sein. Die konkaven Bereiche können beispielsweise dadurch ausgebildet werden, daß in den ebenen Flächen der Wände eine Vielzahl an Nuten eingeformt wird. Die Nuten sind im Vertikalschnitt vorzugsweise trapezförmig. Es ist ferner bevorzugt, daß die konkaven Bereiche in der Form eines Faltenbalges geformt sind.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, falls der Ver­ tikalschnitt der Innenwand gleichförmig wie der der Außen­ wand ist und dabei das Formsteinelement im wesentlichen die gleiche Dicke aufweist.

Einige ausgewählte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgen­ den Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen ausschnittsweisen vertikalen Schnitt eines Abschnittes eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen feuerfesten Formsteinelements zum Einsatz in Wärmetauschern;

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Ver­ tikalschnitt eines Abschnittes eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles;

Fig. 3A eine Draufsicht auf ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen feuer­ festen Formsteinelements;

Fig. 3B einen Vertikalschnitt des in Fig. 3A darge­ stellten Formsteinelementes; und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Zu­ sammenbaus von Formsteinelementen zum Ein­ satz in Wärmetauschern nach dem Stand der Technik.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten, im Querschnitt rechteckigen feuerfesten Formsteinelemente, die die Form eines Tubus oder Rohrabschnittes aufweisen, und die zum Einsatz in Wärmetauschern vorgesehen sind, weisen eine Außenseite bzw. Außenwand 10, 10' und eine Innenseite bzw. Innenwand 11, 11' auf. In den äußeren 10, 10' bzw. inneren 11, 11' Wänden sind eine Vielzahl an Nuten 12, 12' bzw. 13, 13' eingeformt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt der Nuten 12', 13' kreisförmig, insbesondere halbkreisförmig.

Der Querschnitt der Nuten 12, 13 im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist winkelig, nämlich trapezförmig.

Die Nuten 12, 13 bzw. 12', 13' stellen konkave Bereiche in den an sich ebenen Außenflächen der äußeren Wände 10, 10' bzw. inneren Wände 11, 11' dar. Die verbleibenden ebenen Bereiche der äußeren 10, 10' bzw. inneren Wände 11, 11' können demzufolge als konvexe Bereiche angesehen werden.

Untersuchungen haben ergeben, daß beste Wirkungsgrade des Wärmeaustausches dadurch erreicht werden können, daß die Wandstärke L im Bereich von 35 mm bis 75 mm liegt. Das Gesamtvolumen eines Formsteinelements beträgt das 0,4 bis 0,85-fache eines entsprechenden Formsteinelements ohne die konkaven Bereiche. Dabei ist ebenfalls bevorzugt, daß die Oberfläche pro Volumeneinheit eines erfindungsgemäßen Form­ steinelements mit den konkaven Bereichen das 1,5-fache oder mehr der Oberfläche eines Formsteinelements ohne diese konkaven Bereiche beträgt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend eingehend erläutert.

In Fig. 3A und 3B bezeichnet D die Größe des inneren Strö­ mungsdurchtrittes. L bezeichnet die Wandstärke. K bezeich­ net die Breite einer Nut 12, die in der Außenwand 10 ein­ geformt ist. J bezeichnet die Tiefe der Nuten 12 (bzw. 12', siehe Fig. 1). M bezeichnet die Breite der an der Innenwand 11 eingeformten Nuten 13. H bezeichnet die Tiefe dieser Nuten 13 (bzw. 13', siehe Fig. 1). K und M haben üblicher­ weise den selben Wert. Außerdem haben J und H den selben Wert. N bezeichnet die Höhe eines Formsteinelementes.

Der Querschnitt der in Fig. 2 und 3 dargestellten Nuten 12 ist trapezförmig, wobei die Basis die Länge P aufweist. Die Höhe ist J. Die Teilung der Nuten 12 ist K + P. Die Quer­ schnittsform der Nuten 13 ist ebenfalls trapezförmig, wobei die Länge der Basis Q ist. Die Höhe bzw. Eindringtiefe ist H. Die Teilung der Nuten 13 ist M + Q.

Aus den Figuren ist ferner zu entnehmen, daß in vertikaler Richtung gesehen, also beispielsweise in Fig. 2 und 3B von unten nach oben, die Nuten 12 bzw. 12' an der Außenwand 10 gegenüber den Nuten 13, 13' an der Innenwand 11 in Ver­ tikalrichtung soweit versetzt sind, daß der tiefste Ein­ schnittbereich einer Nut 12, 12' an der Außenwand 10 einem ebenen, also nicht mit einer Nut 13, 13' versehenen Bereich der Innenwand 11 gegenüberliegt. Dadurch kann eine etwa durchgehende gleichbleibende Mindestwandstärke erreicht werden.

Ein zahlenmäßiges Ausführungsbeispiel für die zuvor er­ wähnten Bezeichnungen ist wie folgt:
D = 140 mm, K = 45 mm, M = 45 mm, J = 20 mm, H = 20 mm, N = 180 mm, L = 65 mm, P = 5 mm, Q = 5 mm.

Bei diesem Formsteinelement ist die Oberfläche gegenüber einem entsprechenden Formsteinelement ohne die Nuten um das 1,36-fache erhöht. Andererseits wird durch Einformen der Nuten das Gesamtvolumen des Formsteinelements auf das 0,68- fache gegenüber dem Volumen eines Formsteinelements ohne diese Nuten verringert. Als Ergebnis ist die Oberfläche pro Volumenein­ heit des Formsteinelements mit den Nuten das 2,0-fache eines Formsteinelements ohne die Nuten.

Beträgt das verbleibende Volumen weniger als das 0,4-fache des Volumens des ursprünglichen Formsteinelements, so nimmt die Kapazität der Wärmeregeneration ab. Außerdem nimmt die Korrosionsbeständigkeit gegen Alkalistäube ab.

Beträgt das verbleibende Volumen mehr als das 0,85-fache des Volumens des ursprünglichen Formsteinelements ohne die Nuten, so wird das Gesamtvolumen der zwischen den Nuten gelegenen Bereiche zu groß. Diese zwischenliegenden Bereiche des Formsteinelementes tragen nicht zum Wärmetausch bei, zumindest im Vergleich mit den anderen Abschnitten, die die konkaven Bereiche aufweisen. Weisen demzufolge die zwischenliegenden Bereiche ein großes Volumen auf, so ist der Wärmetausch gering.

Ein weiteres zahlenmäßig detailliertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Formsteinelements ist wie folgt:
D = 140 mm, K = 31 mm, M = 31 mm, J = 13 mm, H = 13 mm, N = 239 mm, L = 40 mm, P = 5 mm, Q = 5 mm.

Dieses Formsteinelement weist eine vergrößerte Oberfläche auf, die das 1,3-fache der Oberfläche eines entsprechenden Formsteinelements ohne Nuten beträgt. Durch das Vorsehen der Nuten nimmt das Volumen dieses Formsteinelements auf das 0,68-fache des Volumens eines entsprechenden Formsteinele­ ments ohne Nuten ab. Die Oberfläche pro Volumeneinheit dieses Formsteinelements ist das 1,9-fache eines entspre­ chenden Formsteinelements ohne Nuten.

Die Form der konkaven Bereiche ist nicht auf die in den dargestellten Ausführungsbeispielen beschränkt, bei denen faltenbalgartige parallele konvexe und konkave Bereiche in den vertikalen wänden ausgeformt sind. Es ist möglich, daß die konkaven Bereiche in der Außenwand eine andere Form aufweisen als die konkaven Bereiche an der Innenwand.

Weist das Formsteinelement die Form eines Faltenbalges auf, d. h. daß der Vertikalschnitt der Innenwand gleichförmig ist wie der der Außenwand, mit der entsprechenden zuvor er­ wähnten vertikalen Versetzung, so weist das Formsteinele­ ment, wie insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen, über seine gesamte Länge eine gleiche Wandstärke der resultierenden Wand auf. Daraus resultiert eine hervorragende Wärmeschock­ beständigkeit. Dies ist insbesondere deswegen wichtig, da elektroschmelzgeformte feuerfeste Materialien im Vergleich zu gebrannten feuerfesten Materialien eine relativ geringe Widerstandsfähigkeit gegen thermische Schocks aufweisen.

Die Spitze jedes konvexen Bereiches und der Bodenbereich jedes konkaven Bereichs kann in jeglicher gewünschter Form ausgestaltet sein. So kann beispielsweise die Spitze und der Bodenbereich im Querschnitt kreisförmig oder eben sein.

Durch das Vorsehen der Nuten an den inneren und äußeren wänden wird die Gesamtoberfläche erhöht. Demzufolge erhöht sich die Wärmeaustausch- bzw. Übergangsfläche für den Gas­ strom. Zusätzlich wird durch die Nuten der Gasstrom tur­ bulent, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustausch zwi­ schen Formsteinelement und Gasstrom erhöht werden kann.

Der Temperaturunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Endbereich eines Wärmetauschers ist normalerweise sehr groß. Es ist daher für eine Ökonomische Arbeitsweise bevorzugt, jeweils in den entsprechenden Bereichen des Wärmetauschers die geeignetsten Materialien einzusetzen. Es werden daher vorzugsweise kostengünstige gebrannte feuer­ feste Formsteinelemente in dem Niedertemperaturbereich des Wärmetauschers eingesetzt, wohingehend teure schmelz­ geformte Formsteinelemente in dem Hochtemperaturabschnitt eingesetzt werden.

Vorzugsweise sind konventionelle gebrannte Formstein­ elemente sechseckige postenförmige Standardformstein­ elemente, die gebräuchlicherweise eine Dicke von 65 mm auf­ weisen. Ist die Form der gebrannten feuerfesten Formstein­ elemente kompliziert, so werden deren Herstellungskosten sehr hoch. Daher müssen die Standardformsteinelemente eine einfache Form aufweisen, damit diese kostengünstig sind.

Selbst dann, falls solche Standardformsteinelemente in dem unteren Abschnitt eines Wärmetauschers eingesetzt werden, in dem die Betriebstemperaturen relativ niedrig sind, können die Formsteinelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung mit solchen kostengünstigen gebrannten feuer­ festen Formsteinelementen kombiniert werden. In einem solchen Fall können die Strömungsdurchlässe sowohl durch Formsteinelemente nach dem Stand der Technik als auch durch Formsteinelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung kombiniert aufgebaut werden, wobei das Gas leicht durchströmen kann. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ist groß und der Wirkungsgrad der Regene­ ration des Wärmetausches kann aufgrund der großen spezifi­ schen Oberfläche bemerkenswert erhöht werden.

Claims (7)

1. Feuerfestes Formsteinelement zum Einsatz in Wärmetauschern, hergestellt aus einem schmelzgeformten feuerfesten Material in Form eines Rohres, mit einer Wanddicke von 35-75 mm, wobei an der Innenseite (11, 11') und der Außenseite (10, 10') der Rohrwandung konkave Bereiche (12, 12'; 13, 13') vorhanden sind, wobei das Gesamtvolumen des Formstein­ elements das 0,4- bis 0,85-fache des Gesamtvolumens eines entsprechenden Formsteinelements ohne konkave Bereiche beträgt, die Oberfläche pro Volumeneinheit mindestens das 1,5-fache der Oberfläche eines entsprechenden Formstein­ elements ohne konkave Bereiche beträgt, und wobei die Anordnung der konkaven Bereiche (12, 12'; 13, 13') an der Innen- und Außenseite der Rohrwandung derart versetzt ist, daß die Wand im Längsschnitt eine schlangenlinienförmige Kontur aufweist und somit im wesentlichen durchgehend dieselbe Wanddicke aufweist.

2. Feuerfestes Formsteinelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Bereiche (12', 13') im Längsschnitt kreisförmig sind.

3. Feuerfestes Formsteinelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Bereiche (12, 13) im Längsschnitt winklig ausgebildet sind.

4. Feuerfestes Formsteinelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Bereiche durch Einformen von Nuten (12, 12'; 13, 13') in den jeweils ebenen Flächen der Wände gebildet sind.

5. Feuerfestes Formsteinelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Bereiche (12, 13) im Längsschnitt trapezförmig sind.

6. Feuerfestes Formsteinelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formsteinelement im Längsschnitt die Form eines Faltenbalges aufweist.

7. Feuerfestes Formsteinelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Formsteinelements quadratisch ist.