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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung in einem Wirbelschichtwärmetauscher,
die in den Oberbegriffen der weiter unten gegebenen unabhängigen Patentansprüche definiert
sind.
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Im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch die die Wärmeübertragung
in einem Wirbelschichtwärmetauscher
reguliert werden kann, bestehend aus einer Wärmetauschkammer mit einem Bett von
Feststoffpartikeln; Mitteln zur Einspeisung von Fluidisierungsgas
in die Wärmetauschkammer;
Wärmeübertragungsflächen in
Kontakt mit dem Bett von Feststoffpartikeln; einem im oberen Teil
der Wärmetauschkammer
oberhalb der Oberfläche
des Betts von Feststoffpartikeln angeordneten Einlass; und einem
ersten Auslass zur Entfernung von Feststoffpartikeln aus der Wärmetauschkammer.
Somit umfasst das Verfahren typisch folgende Schritte:
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- (a) Feststoffpartikel werden durch den Einlass
auf die Oberfläche
des Betts von Feststoffpartikeln in der Wärmetauschkammer aufgegeben;
- (b) das Bett von Feststoffpartikeln in der Wärmetauschkammer wird durch
Fluidisierungsgas fluidisiert;
- (c) Wärme
wird durch die Wärmeübertragungsflächen aus
der Wirbelschicht von Feststoffpartikeln übertragen; und
- (d) Feststoffpartikel werden durch den ersten Auslass aus der
Wärmetauschkammer
entfernt.
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Wirbelschichtwärmetauscher werden in der Regel
in verschiedenen druckbeaufschlagten und atmosphärischen Wirbelschichtreaktorsystemen,
zum Beispiel in verschiedenen Verbrennungs- und Wärmeübertragungsprozessen und chemischen
und metallurgischen Prozessen eingesetzt. Typisch wird durch Verbrennungs- oder andere exothermische Prozesse
erzeugte Wärme
aus Fest stoffpartikeln durch Nutzung von Wärmeübertragungsflächen zurückgewonnen.
Die Wärmeübertragungsflächen leiten
die zurückgewonnene
Wärme in
ein Mittel, wie etwa Wasser oder Dampf, das die Wärme aus
dem Reaktor heraus überträgt.
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Wärmeübertragungsflächen können in
verschiedenen Teilen des Reaktorsystems angeordnet sein, zum Beispiel
in speziellen Wärmetauschkammern,
die Teil der Reaktionskammer, eine getrennte Kammer in Verbindung
mit der Reaktionskammer, oder wie bei Reaktoren mit zirkulierender
Wirbelschicht, Teil des Zirkulationssystems von Feststoffpartikeln
sein können.
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Bei vielen Anwendungen von Wirbelschichtreaktoren,
zum Beispiel in Dampfkesseln, ist es wichtig, dass man im Stande
ist, die Wärmeübertragung kontinuierlich
und präzise
innerhalb eines breiten Regelbereichs zu regulieren. Der Grund für den Regelungsbedarf
kann ein variierender Bedarf an zu produzierendem Dampf oder eine
Abweichung bei Brennstoffqualität
oder bei Brennstoffaufgabe oder eine andere Abnormität im System
sein. Es kann auch notwendig sein, das System in einen richtigen Betriebszustand
einzustellen. Weitere Notwendigkeiten für die Regulierung der Wärmeübertragung
in den Dampfkesseln ergeben sich aus der Tatsache, dass Wärme in der
Regel in mehreren Schritten, d. h. in Verdampfern, Überhitzern,
Vorwärmern
und Zwischenüberhitzern
zurückgewonnen
wird, die womöglich
individuell geregelt werden müssen.
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Der Zweck der Regulierung der Wärmeübergangsleistung
in einem Wirbelschichtreaktor bezüglich der Prozesse besteht
darin, einen optimalen Betriebszustand in Hinsicht auf Emissionen
und Wirkungsgrad im Reaktor aufrechtzuerhalten. Oft bedeutet dies,
dass die Temperatur des Reaktors auch unter Verhält nissen konstant bleiben sollte,
wo die Wärmeübergangsleistung
und die Aufgabevolumen von Brennstoff schwanken.
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Beim Konstruieren einer Wärmetauschkammer
sind die wichtigsten Ziele eine einfache Konstruktion, kontinuierliche
Regelbarkeit innerhalb eines großen Regelbereichs und geringer
Platzbedarf.
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Eine Möglichkeit, die Wärmeübergangsleistung
eines Wirbelschichtwärmetauschers
zu regulieren besteht darin, das Volumen des fluidisierten Bettmaterials
in der Wärmetauschkammer
so zu ändern, dass
ein variierender Teil der Wärmeübertragungsflächen durch
Feststoffpartikel bedeckt ist. Solch eine Konstruktion ist zum Beispiel
im US-Patent 4,813,479 beschrieben. Bei der beschriebenen Anordnung
sind jedoch ein zusätzlicher
Strömungskanal
und ein Regelventil erforderlich, was das System komplizierter macht
und die Kosten erhöht.
Wenn die Höhe
des Betts geändert
wird, kann des Weiteren, Teil der Wärmeübertragungsflächen einer
beachtlichen Erosion ausgesetzt sein.
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Das US-Patent 5,140,950 stellt eine
Anordnung dar, wo die Zirkulationsstrom von heißen Feststoffpartikeln in einem
Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht durch eine Anzahl Abteile
und Kanäle
in zwei getrennte Kammern aufgeteilt ist, von denen nur eine Wärmeübertragungsflächen aufweist.
Durch Änderung
des Teilungsverhältnisses
der Feststoffpartikel, die durch die verschiedenen Kammern fließen, kann
die Wärmeübergangsleistung
des Wärmetauschers
variiert werden. Die beschriebene Anordnung ist jedoch kompliziert
und – angesichts
des Platzbedarfs – mit
Nachteilen behaftet.
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Eine brodelnde Wirbelschicht wird
normalerweise in der Wärmetauschkammer
aufrechterhalten, wo die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases,
bei Verwendung von Bettmaterial mit kleiner Partikelgröße, zum
Beispiel, 0,1–0,5
m/s sein kann. Die Wärmeübergangsleistung
des Wirbelschichtwärmetauschers
kann durch Änderung
der Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases in gewissem Maße variiert werden.
Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass sich die Feststoffpartikel
bei hohen Geschwindigkeiten des Fluidisierungsgases lebhafter bewegen
als bei niedrigen Geschwindigkeiten, wobei sich die heißen Partikel
bei hohen Geschwindigkeiten effizient über den gesamten Bereich der
Wärmetauschkammer ausbreiteten.
Bei hohen Geschwindigkeiten können sich
weder getrennte abgekühlte
Schichten dicht an den Wärmeübertragungsflächen bilden,
um den Wärmetausch
zu reduzieren, noch werden die heißen, im Wärmetauscher eintreffenden Partikelströme direkt vom
Einlass der Wärmetauschkammer
zum Auslass geleitet, ohne sich mit den Partikeln in der Kammer zu
vermischen. DE3726643 zeigt einen Wirbelschichtwärmetauscher, in dessen unteren
Teil Partikel fürs
Kontaktieren von Wärmeübertragungsflächen eingeführt werden,
bevor sie aus seinem oberen Teil ausgetragen werden.
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Das US-Patent 5,425,412 stellt eine
Anordnung in einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht dar,
bei der die Wärmetauschkammer
jeweils getrennte Bereiche fürs Übertragen
von Partikeln, beziehungsweise für
die Wärmeübertragung
umfasst. Die Wärmeübergangsleistung
wird reguliert, indem die Bewegungsintensität der Partikel nahe der Wärmeübertragungsflächen und
die Mischungsgeschwindigkeit des Materials durch Nutzung der Fluidisierungsgasgeschwindigkeiten
verschiedener Bereiche geändert
wird. Durch Änderung
der Mischungsgeschwindigkeit des Materials kann das Verhältnis zwischen
den kürzlich
in die Kammer eingeflossenen heißen Partikeln und der bereits
abgekühlten
Partikeln im abgehenden Partikelstrom variiert werden. In verschiedenen
Situationen können
Partikel durch eine Überlauföffnung in
der Bettoberfläche und/oder
durch einen Auslass im unteren Teil der Kammer abgeleitet werden.
Der Regelbereich der Wärmeübergangsleistung
in einer Wärmetauschkammer
dieser Art kann jedoch ziemlich begrenzt bleiben, weil, um Agglomeration
und Überhitzung des
Betts durch eventuelles Nachbrennen zu vermeiden, das Bett von Feststoffpartikeln
kontinuierlich fluidisiert gehalten werden muss, wobei die Mischungsgeschwindigkeit
stets recht hoch ist. Des Weiteren ist wegen der Verwendung eines
getrennten Übertragungsbereichs
die Raumnutzung nicht optimal, weil sich ein beachtlicher Teil der
Wärmetauschkammer nicht
im effektiven Einsatz in Bezug auf die Wärmeübertragung befindet.
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Es ist eine Aufgabe von der vorliegenden
Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung
vorzusehen, wo die oben erwähnten
Probleme und die Unzulänglichkeiten
der Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik minimiert
sind.
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Es ist eine speziellere Aufgabe der
Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung
für leichte
Regulierung der Wärmeübergangsleistung
eines Wirbelschichtwärmetauschers
innerhalb eines breiten Leistungsbereichs vorzusehen.
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Es ist eine noch weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen dauerhaften und einfachen kostenvernünftigen
und Raum sparenden Wirbelschichtwärmetauscher vorzusehen.
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Um diese Aufgaben zu erfüllen, sind
das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dadurch das cha rakterisiert, was nachstehend in den charakterisierenden
Teilen der unabhängigen
Patentansprüche
beschrieben ist.
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Die Grundidee des Verfahrens und
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass man im Stande ist, die Vermischung
von heißen,
in den Wirbelschichtwärmetauscher
fließenden
Feststoffpartikeln mit dem Bett von Feststoffpartikeln einzuschränken, das
aus den Feststoffpartikeln besteht, die mit Wärmeübertragungsflächen in
Kontakt gekommen sind und/oder sonst wie bereits abgekühlt sind.
Man will somit in der Lage sein, die Vermischung von heißen Feststoffpartikeln
mit dem Bett von Feststoffpartikeln entweder teilweise oder sogar vollständig zu
verhindern.
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Die Vermischung von heißen Feststoffpartikeln
mit dem Bett von Feststoffpartikeln wird durch einen Leitkanal eingeschränkt, der
im Wirbelschichtwärmetauscher
derart angeordnet ist, dass er sich von oberhalb der Oberfläche des
Betts von Feststoffpartikeln zum Bett von Feststoffpartikeln erstreckt, und
durch Anordnung eines ersten Auslasses in dem durch den Leitkanal
abgegrenzten Bereich. Durch einen Einlass in die Wärmetauschkammer
aufgegebene heiße
Partikel können
somit durch den Leitkanal in einen bestimmten Bereich geleitet werden,
der im Wesentlichen durch den Leitkanal auf der Oberfläche des
Betts von Feststoffpartikeln abgegrenzt ist. Wenn der erste Auslass
der Wärmetauschkammer
in dem durch den Leitkanal abgegrenzten Bereich angeordnet ist,
ist es außerdem
möglich,
heiße
Feststoffpartikel direkt aus diesem Bereich zu entfernen, zum Beispiel
als Überlauf
von der Oberfläche
des Festpartikelbetts oder von unterhalb der Oberfläche durch einen
verstellbaren Auslass oder Öffnung,
ohne dass die zu entfernenden Partikel mit den abgekühlten Feststoffpartikeln
in Kontakt kommen können.
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Bei einer typischen Anordnung gemäß der Erfindung
ist ein Leitkanal im oberen Teil der Wärmetauschkammer solcherart
angeordnet, dass sich der Leitkanal vom Einlass zum Bett von Feststoffpartikel, zur
Bettoberfläche
oder einen kurzen Abstand unter die Oberfläche erstreckt. In einigen Fällen wird
die erwünschte
Leitung der Feststoffpartikel auch durch einen Leitkanal bewerkstelligt,
dessen unteres Ende diese Oberfläche
nicht ganz erreicht. Typisch bestimmt die Lage des ersten Auslasses
den Abstand, über
den sich das untere Ende des Leitkanals in das Bettinnere erstrecken
soll, wenn überhaupt.
Der Leitkanal wird bevorzugt von einer Zwischenwand gebildet, die
sich vom oberen Teil der Wärmetauschkammer
zum Bett von Feststoffpartikeln erstreckt, welche Zwischenwand den
Leitkanal zwischen einer Wand der Wärmetauschkammer und sich selbst
abgrenzt.
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Wenn die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases
in der Wärmetauschkammer
niedrig ist, und die Vermischung von Partikeln in der Wärmetauschkammer
und somit auch im Bereich des Leitkanals minimal oder praktisch
nicht existierend ist, ist es möglich,
den größten Teil
oder sogar alle heißen Partikel
zu entfernen, die durch den ersten Auslass in den Wärmetauscher
fließen,
ohne wesentlich Wärme auf
das Bett und dadurch auf die Wärmeübertragungsflächen zu übertragen.
Die Wärmeübergangsleistung
des Wärmetauschers
ist dabei minimal.
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Die Wärmeübergangsleistung kann gesteigert
werden, indem die Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases erhöht wird,
wodurch die Vermischung von Partikeln auch im Bereichs des Leitkanals
intensiviert wird, wobei zumindest ein Teil der heißen Feststoffpartikel
oder sogar sie alle Wärme
an das Bett und somit auch an die Wärmeübertragungsflächen abgeben.
In diesem Fall werden abgekühlte Feststoffpartikel
aus dem Wärmetauscher
durch den ersten Auslass oder durch einen zweiten Auslass entfernt,
der im unteren Teil des Betts angeordnet ist.
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Der Erfindung zufolge ist es somit
möglich, die
Vermischung der abgekühlten
Feststoffpartikeln im Bett und der heißen Feststoffpartikel einzuschränken, die
durch den ersten Auslass entfernt werden sollen, indem die heißen Feststoffpartikel
in einen begrenzten Bereich auf der Oberfläche des Feststoffpartikelbetts
geleitet werden, von wo Teil der Feststoffpartikel in einem ungekühlten Zustand
aus dem Wärmetauscher
entfernt werden kann. Somit ist es möglich, die Wärmeübertragung
aus dem spezifizierten Teil der Feststoffpartikel auf das Feststoffpartikelbett und
weiter auf die Wärmeübertragungsflächen zu verhindern
oder zumindest wesentlich zu einzuschränken. Durch Nutzung der erfindungsgemäßen Anordnung
lassen sich die Betttemperatur und die Menge der durch die Wärmeübertragungsflächen zurückzugewinnenden
Wärme herabsetzen.
Durch Leitung eines Teils der Partikel in einem ungekühlten Zustand
aus dem Wärmetauscher
heraus ist es somit möglich,
die kleinstmögliche
Wärmeübergangsleistung
zu verringern, die durch jeden eintretenden Strom heißer Partikel
erzielt wird.
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Bei der Anordnung gemäss der vorliegenden Erfindung
es ist möglich,
einen zweiten Auslass in der Wärmetauschkammer
anzuordnen; zum Beispiel im unteren Teil der Kammer, wobei der Feststoffpartikelstrom
durch den zweiten Auslass geregelt werden kann. Bei Erzeugung einer
hohen Wärmeübergangsleistung
ist es somit möglich,
den gesamten eintretenden Partikelstrom durch den zweiten Auslass
abfließen
zu lassen, wobei die Mittel, die die Vermischung im Bereich des
ersten Auslass einschränken, die
Vermischungsgeschwindigkeit nicht wesentlich beeinflussen. Dabei
verändert
sich auch nicht die höchste
mögliche
Wärmeübergangsleistung.
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Für
das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es typisch, dass der im Wärmetauscher eintreffende
Partikelstrom zur Oberfläche
des Feststoffpartikelbetts geleitet wird durch Mittel, die sich geringfügig unter
die Oberfläche
in einen durch besagte Mittel abgegrenzten Bereich erstrecken. Das Kriterium
für die
Wahl dieses eingeschränkten
Bereichs ist seine Verbindung zum ersten Auslass. Die Querschnittsfläche des
eingeschränkten
Bereichs ist auf dem Niveau des ersten Auslasses in der Regel wesentlich
kleiner als die mittlere Querschnittsfläche des Partikelbetts in der
Wärmetauschkammer.
Die durch die Mittel abgegrenzte Querschnittsfläche ist auf dem Niveau der
unteren Fläche
des ersten Auslasses bevorzugt höchstens
30%, bevorzugt höchstens
10% von der mittleren Querschnittsfläche des Partikelbetts in der
Wärmetauschkammer.
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Die die Vermischung beschränkenden
Mittel sind typisch auf solche Weise angeordnet, dass sie lediglich über einen
kurzen Abstand in den oberen Teil des Betts von Feststoffpartikeln
eindringen, so dass der von ihnen im Bett gebildete Kanal oder Lücke, wo
typisch keine Wärmeübertragungsflächen angeordnet
sind, keinen größeren Verlustraum
im Bett in Hinsicht auf die Wärmeübertragung
darstellen würde.
Somit erstrecken sich die die Vermischung einschränken Mittel
bevorzugt über
einen Abstand ins Bett, der höchstens
30%, am bevorzugtesten höchstens
20% von der Tiefe des Betts ist. Typisch erstrecken sich die einschränkenden
Mittel ungefähr 10–50 cm,
am typischsten ungefähr
20–30
cm ins Bett hinein.
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Die Erfindung wird gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auf einen Reaktor oder Kessel mit zirkulierender
Wirbelschicht angewandt, wo der erfindungsgemäße Wärmetauscher zwischen Feuerung
und Rückführkanal
des Partikelabscheiders im Feststoffumlauf des Reaktors, d. h. dem
Rohr angeordnet ist, wodurch Partikel vom Partikelabscheider zur
Feuerung des Reaktors zurückgeleitet
werden. Der Einlass des Wärmetauschers
ist mit dem Rückführkanal und
der Auslass, zum Beispiel eine Überlauföffnung, mit
der Feuerung, verbunden. Ein erster Teil der Partikel wird bevorzugt
aus dem Rückführkanal
in einem im Wesentlichen ungekühlten
Zustand als Überlauf zur
Feuerung geleitet. Ein zweiter Teil der Partikel wird zum Feststoffbett
in der Wärmetauschkammer geleitet,
wo Wärme
aus den Partikeln auf die Wärmeübertragungsflächen übertragen
wird, bevor die Partikel zur Feuerung zurückgeleitet werden. Der aus dem
Umlauf als Überlauf
zu entfernende Teil, der möglicherweise
zwischen 0 und 100% variiert, variiert zum Beispiel in Abhängigkeit
von Kessellast, Brennstoff und Volumen des Umlaufstroms.
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Einer anderen bevorzugten Ausführungsform
zufolge ist es möglich,
die Erfindung auf einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht
oder einen Brodelbettreaktor anzuwenden, wo Feststoff aus einer
Reaktionskammer/Feuerung direkt einem Wärmetauscher zugeleitet wird.
In diesem Fall ist der Wärmetauscher
bevorzugt unmittelbar außerhalb
der Reaktionskammer des Reaktors angeordnet, und der Wärmetauscher
und die Reaktionskammer teilen sich bevorzugt eine gemeinsame Wand
mit daran angeordneten Öffnungen,
die einen Einlass zur Einführung
von Partikeln in die Wärmetauschkammer
und einen Überlaufstutzen
für unmittelbare
Rückführung der
Partikel als Überlauf
in die Reaktionskammer. Diese Öffnungen
können
sehr nah aneinander sein. Ein und dieselbe Öffnung kann in eini gen Fällen sogar
in beiden Richtungen, d. h. abwechselnd als Einlass in einer Richtung
und als Überlauföffnung in
einer anderen Richtung funktionieren. Andererseits kann in einigen
Fällen
der obere Teil der Öffnung
als Einlass und der untere Teil als Auslass in ein und derselben Öffnung funktionieren.
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Wenn ein Wirbelschichtwärmetauscher
direkt in Verbindung mit der Reaktionskammer eines Wirbelschichtreaktors
angeordnet ist, müssen
die Öffnungen
oft derart angeordnet sein, dass Material aus einem großen Bereich
eingesammelt wird, um einen ausreichenden Materialstrom zu erzeugen.
In diesem Fall ist es besonders wichtig, dass das eintreffende Material
in einen kleinen Bereich auf der Oberfläche in der Wirbelschicht geleitet
wird und sich nicht über
diesen gesamten großen
Bereich ausbreiten darf, wo es sich unvermeidlich mit dem Material vermischen
würde,
das sich bereits in der Wirbelschicht befindet. Durch Einschränkung des
eintreffenden Partikelstroms auf einen kleinen Bereich wird die
unnötige
Vermischung des als Überlauf
mit dem Rest des Wirbelschichtmaterials zu entfernenden Materials
ebenfalls beschränkt.
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Ein zweiter Auslass für die abgekühlten Partikel
des Wärmetauschers
ist bevorzugt im unteren Teil der Wärmetauschkammer ausgebildet,
von wo Partikel auf eine an sich bekannte Weise, zum Beispiel zur
Feuerung geleitet werden. Andererseits kann bei den oben erwähnten Ausführungsformen der
Ablauf abgekühlter
Partikel derart angeordnet sein, dass er durch einen Steigkanal
erfolgt, der zwischen Wärmetauschkammer
und Feuerung angeordnet ist. Der untere Teil des Steigkanals steht
mit einem Auslass im unteren Teil der Wärmetauschkammer in Verbindung
und teilt sich bevorzugt eine gemeinsame Wand mit der Feuerung.
Aus dem Steigkanal werden Partikel zum Beispiel als Überlauf
zur Feuerung geleitet.
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Die Anordnung gemäss der vorliegenden Erfindung
wird bevorzugt auf solche Weise realisiert, dass die Wärmetauschkammer
nur eine ununterbrochene Wirbelschicht von Feststoffpartikeln hat.
Oberhalb der Wirbelschicht ist die Wärmetauschkammer mit Mitteln,
z. B. einer Zwischenplatte oder einem Leitblech versehen, die die
Ausbreitung von durch den Einlass auf das Bett von Feststoffpartikeln
eingeführten
Feststoffpartikeln wesentlich einschränken und somit ebenfalls deren
Vermischung mit der Wirbelschicht von Feststoffpartikeln beschränken. Wenn niedrige
Fluidisierungsgasgeschwindigkeiten benutzt werden, wird lediglich
ein erster Teil der dem kleinen Bereich zugeführten Partikel hauptsächlich mit
dem Bett von Feststoffpartikeln vermischt. Der Teil entspricht derjenigen
Menge von Partikeln, die vom Einlass durch die Wärmetauschkammer zum Auslass
im unteren Teil der Wärmetauschkammer
fließen.
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Wenn der Bedarf an Wärmeübergangsleistung
klein ist, kann der durch den Wärmetauscher fließende Partikelstrom,
mit anderen Worten der eintreffende und ablaufende Partikelstrom
nur durch einen beschränkten
Bereich der Oberfläche
des Feststoffpartikelbetts fließen,
wobei der Feststoffpartikelaustausch zwischen dem ablaufenden Strom
und dem Bett von Feststoffpartikeln klein ist. Partikel, die noch
nicht Zeit gehabt haben, sich im Bereich der effektiven Vermischung
des Betts abzusetzen und somit noch keine Wärme an das Feststoffbett abgegeben
haben, können
leicht als Überlauf
aus der in einem kleinen Bereich gebildeten dicken Schicht heißer Partikel
entfernt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
wird nur ein für
die Wärmeübertragung
notwendiger Materialstrom mit dem Bett von Feststoffpartikeln in
der Wärmetauschkammer
vermischt, wobei der Überschuss
in heißem
Zustand von der Oberfläche
des Betts zur Reaktionskammer zurückkehrt und sich somit nicht
wesentlich mit der Wirbelschicht in der Wärmetauschkammer vermischt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Wärmetauschkammer
kann eine effektive und weit reichende Regulierung des Wärmetauschs
einfach durch Regelung der Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases
und bei Bedarf durch weitere Regelung des Ablaufs von Feststoffpartikeln
durch einen zweiten Auslass realisiert werden. Durch Intensivierung
der Partikelströmung
durch den zweiten Auslass wird die Menge von durch den ersten Auslass
fließenden
ungekühlten
Partikeln herabgesetzt und die Menge der mit den Wärmeübertragungsflächen in
Kontakt kommenden Partikel gesteigert. Entsprechend wird durch Reduzierung
des Partikelstroms durch den zweiten Auslass der unmittelbare Ablauf
heißer
Partikel aus dem Wärmetauscher
durch die Überlauföffnung vergrößert.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
es ist nicht notwendig, den Wärmetauscher
durch Zwischenwände
in getrennte Betten von Feststoffpartikeln aufzuteilen, die mit
einer individuellen Fluidisierung ausgestattet sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
der beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wo
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1 schematisch
eine vertikale Schnittansicht eines Wirbelschichtwärmetauschers
gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 schematisch
eine Schnittansicht eines Kessels mit zirkulierender Wirbelschicht
zeigt, der mit einem Wärme tauscher
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung versehen ist;
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3 schematisch
eine Vergrößerung von 2 an der Überlauföffnung und
eine erste beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung zeigt, bei der der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit dem Rückführkanal
im Abscheider des Kessels mit zirkulierender Wirbelschicht verbunden
ist; und
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4 schematisch
eine Schnittansicht eines Wärmetauschers
gemäss
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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1 stellt
schematisch einen einfachen Wärmetauscher 10 dar,
in dessen Wärmetauschkammer 12 eine
langsame, aus heißen
Feststoffpartikeln bestehende Wirbelschicht 14 aufrechterhalten wird,
indem Fluidisierungsgas aus einem Windkasten 16 durch einen
Rost 18 dahinein eingegeben wird. Wärmeübertragungsflächen 30 sind
in der Wirbelschicht zur Rückgewinnung
von Wärme
aus der Wirbelschicht angeordnet. Die Strömung des eintretenden Fluidisierungsgases
aus dem Windkasten durch den Rost 18 kann zum Beispiel
durch ein Ventil 22 geregelt werden, um die Menge der auf
die Wärmeübertragungsflächen übergehenden
Wärme zu
kontrollieren.
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Der obere Teil der Wärmetauschkammer 12 oberhalb
der Wirbelschicht 14 ist mit einem Einlass 24 versehen,
aus dem heiße
Feststoffpartikel durch einen Leitkanal 26 auf die Oberfläche 28 der
Wirbelschicht 14 fließen.
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Wärme
wird aus den in der Wirbelschicht eintreffenden heißen Feststoffpartikel
in der Wärmetauschkammer 12 zurückgewonnen,
indem die Wärmeenergie
der heißen
Feststoffpartikel auf ein Medium, normalerweise Dampf oder Wasser, übertragen wird,
das in den Wärmeübertragungsflächen 30 enthalten
ist. Der obere Teil der Wärmetauschkammer 12,
unmittelbar unterhalb der Oberfläche 28 der
Wirbelschicht 14 ist mit einem Auslass 34 in der
Wand 32 der Wärmetauschkammer
versehen, durch den Feststoffpartikel aus der Wärmetauschkammer in den benachbarten
Raum 36 entfernt werden, der typisch zum Beispiel eine
Feuerung ist. Beim Auslass 34 handelt es sich bevorzugt
um einen Block des so genannten Kiemensperren-Typs, der mit einem
Gasverschluss versehen ist, der in der finnischen Patentanmeldung
FI 952193 des Anmelders beschrieben ist. Eine getrennte Zuführung für Fluidisierungsluft,
die möglicherweise
durch den Auslass des Kiemensperren-Typs erforderlich ist, ist in 1 nicht dargestellt. Beim
Auslass kann es sich auch um eine andere Art Stutzen oder Öffnung handeln,
deren Öffnung
und Durchfluss verstellbar sind.
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Kontinuierliche Fluidisierung muss
oft im Partikelbett 14 aufrechterhalten werden, um Agglomeration
des Betts und örtliche Überhitzung
zu verhindern. Um zu verhindern, dass die heißen Feststoffpartikel, die
durch den Einlass 24 auf die Oberfläche des Betts fließen, sich
in Folge der Fluidisierung schnell mit dem Bett 14 vermischen,
ist ein Leitblech oder eine Zwischenwand 38 in der Wärmetauschkammer
angeordnet, die die Vermischung erheblich einschränkt. Die
Zwischenwand 38 bildet eine der Wände des Leitkanals 26.
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Die im Oberteil der Wärmetauschkammer 12 zwischen
Einlass 24 und Oberfläche 28 der
Wirbelschicht 14 angeordnete Zwischenwand 38 leitet
die heißen
Feststoffpartikel durch den Einlass 24 einem Bereich 28' auf der Oberfläche 28 der
Wirbelschicht zu, der durch die Zwischenwand 38 und Wand 32 der Wärmetauschkammer
abgegrenzt ist. Die Zwischenwand 38 und die Wand 32 der
Wärmetauschkammer 12 bilden
einen Leitkanal 26, der sich über der und teilweise in die
Wirbelschicht hinein erstreckt. Die Zwischenwand 38 erstreckt
sich weiter nach unten als die Unterkante des Auslasses und verhindert
am Leitkanal die freie Bewegung des Materials, das in die Wärmetauschkammer
innerhalb des Oberflächen- 28 Bereichs
der Wirbelschicht 14 eintritt. Andererseits, um einen erheblichen
Verlustraum zu vermeiden, darf der durch Wand 32 der Wärmetauschkammer 12 und
Zwischenwand 38 gebildete Leitkanal 26 nicht zu
lang sein. Im Beispiel von 1 ist
die Länge
des Leitkanalabschnitts im Festpartikelbett weniger als 30% von
der Tiefe des Betts. Die Zwischenwand 38 erstreckt sich über einen
Abstand „h" in die Wirbelschicht
hinein, wobei der Abstand typisch 10–50 cm ist.
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Die Querschnittsfläche A1 des durch den Leitkanal von der Oberfläche 28 der
Wirbelschicht abgegrenzten Bereichs 28' ist höchstens 30% von der mittleren
Querschnittsfläche
A2 der Wirbelschicht. Somit sind die durch
den Einlass 24 zur Wirbelschicht fließenden Feststoffpartikel, welche
Partikel in einer Wärmetauschkammer,
die nicht mit Zwischenwänden
bestückt
ist, sich über
die gesamte Oberfläche
der Wirbelschicht ausbreiten würden,
innerhalb des durch den Leitkanal 26 abgegrenzten Bereichs
bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zusammengepackt.
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Wenn bei Benutzung einer Wärmetauschkammer
gemäss 1 niedrige Wärmeübergangsleistung
erwünscht
ist, muss eine möglichst
niedrige Fluidisierungsgasgeschwindigkeit eingesetzt werden, d.
h. eine so genannte minimale Fluidisierung, bei der sich Feststoffpartikel
im Verhältnis
zueinander gerade noch bewegen. Wäre die Zwischenwand 38 nicht
vorhanden, könnten
sich die durch den Einlass 24 eintreffenden heißen Feststoffpartikel über die
gesamte Oberfläche 28 des
Feststoffpartikelbetts ausbreiten, wobei sie sich mit dem Bett 14 von
Feststoffpartikeln effizient vermischen würden, trotz der niedrigen Geschwindigkeit
des Fluidisierungsgases. Bei der Anordnung von 1 gemäss
der Erfindung leitet die Zwischenwand 38 die durch den
Einlass eintreffenden heißen
Feststoffpartikel zum begrenzten Bereich 28' auf der Oberfläche des Feststoffpartikelbetts.
Bei Verwendung einer niedrigen Fluidisierungsgasgeschwindigkeit
ist die Vermischung der zum abgegrenzten Bereich 28' gezwungenen
heißen Feststoffpartikel
langsam, oder es findet praktisch gar keine Vermischung statt. Weil
sich der Auslass 34 in dem vom Leitkanal 26 abgegrenzten
Bereich des Feststoffpartikelbetts befindet, fließen heiße Feststoffpartikel,
die vor kurzem in der Wärmetauschkammer
hauptsächlich
durch den Einlass 24 eingetroffen sind und sich noch nicht
mit den Partikeln im Bett vermischt haben, durch den Auslass 34 aus
der Wärmetauschkammer 12 ab.
Weil keine wesentlichen Mengen an heißen Feststoffpartikeln dem
Bett zufließen, bleibt
die Temperatur des Betts 14 wesentlich niedrig und die
Wärmeübertragung
geringfügig.
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Andererseits, wenn bei Benutzung
einer Wärmetauschkammer
gemäss 1 hohe Wärmeübergangsleistung erwünscht ist,
muss eine hohe Fluidisierungsgasgeschwindigkeit eingesetzt werden.
In diesem Fall befindet sich das gesamte Feststoffpartikelbett in
einer sehr intensiven inneren Bewegung, wobei auch die durch den
Einlass 24 eintretenden 24 Partikel sich schnell
mit dem Feststoffpartikelbett 14 in der Wärmetauschkammer
vermischen, trotz der Zwischenwand 38. Somit hat fast das
gesamte Bett von Feststoffpartikeln, das den größten Teil des durch den Leitkanal 26 abgegrenzten
Bettabschnitts einschließt,
im Wesentlichen die gleiche Temperatur, und seine Wärmeübergangsleistung
ist maximal.
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Der obigen Beschreibung zufolge reduziert die
Zwischenwand 38 die niedrigstmögliche in der Wärmetauschkammer 12 verfügbare Wärmeübergangsleistung,
beeinflusst aber nicht wesentlich die höchstmögliche Wärmeübergangsleistung. Somit wird
durch die die Vermischung einschränkende Zwischenwand der Verstellbereich
der Wärmeübertragung
in der Wärmetauschkammer
erheblich erweitert, was bei vielen Anwendungen von Wärmetauschkammern
von großer
Bedeutung ist.
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2 stellt
einen Wärmetauscher
dar, der mit einem Kessel mit zirkulierender Wirbelschicht gemäß die Erfindung
verbunden ist. In 2 werden, soweit
möglich,
die gleichen Bezugszeichen wie in 1 benutzt
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2 stellt
somit einen Kessel 40 mit zirkulierender Wirbelschicht
dar, der eine Feuerung 36, einen Partikelabscheider 42,
ein Gasauslassrohr 44 und einen Rückführkanal 46 für Feststoffpartikel
inklusive eines Gasverschlusses 48 aufweist. Eine aus heißen Feststoffpartikeln
bestehende schnelle Wirbelschicht wird in der Feuerung 36 durch
Einspeisung von Fluidisierungsgas zum Bett aus einem Windkasten
auf eine an sich bekannte Weise aufrechterhalten, so dass Feststoffpartikel
vom Abgas durch eine Öffnung
im oberen Teil der Feuerung zum Partikelabscheider 42 mitgeführt werden.
Der Partikelabscheider trennt die meisten heißen Feststoffpartikel aus dem
Abgas ab, und die abgeschiedenen Feststoffpartikel werden durch
den im unteren Teil des Abscheiders angeordneten Rückführkanal 46 zurück zur Feuerung 36 geleitet.
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In Verbindung mit dem Rückführkanal 46 ist ein
erfindungsgemäßer Wärmetauscher 10 angeordnet,
in dessen Wärmetauschkammer 12 eine
langsame, aus heißen
Feststoffpartikeln bestehende Wirbelschicht 14 aufrechterhalten
wird durch Zufüh rung von
Fluidisierungsgas aus einem Windkasten 16 durch einen Rost 18.
Die Wirbelschicht ist mit Wärmeübertragungsflächen 30 versehen,
um Wärme aus
der Wirbelschicht zurückzugewinnen.
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Der obere Teil der Kammer 12 oberhalb
der Wirbelschicht ist – obwohl
in 1 nicht dargestellt – mit einer Öffnung oder
einem Kanal versehen, wodurch die Fluidisierungsluft aus der Wärmetauschkammer
zur Feuerung fließen
kann. Darüber
hinaus ist der obere Teil der Wärmetauschkammer 12 oberhalb
der Wirbelschicht 14 – wie
deutlicher aus 3 ersichtlich
ist – mit
einem Einlass 24 versehen, der mit dem Ende 46' des Rückführkanals
in Verbindung steht, wodurch heiße Feststoffpartikel durch
den Einlass 24 zur Wirbelschicht 14 fließen. Der
Boden der Wärmetauschkammer 12 ist
mit einem Auslass 50 versehen, durch den Feststoffpartikel
aus der Wärmetauschkammer
entfernt und in einem Kanal 52 zur Feuerung 36 geleitet
werden können.
Das Volumen des durch den Auslass 50 zu entfernenden Feststoffpartikelstroms
kann mittels eines Ventils 56 geregelt werden, um das Volumen
der durch Rohre 54 dem Kanal 52 zuzuführenden
Fluidisierungs- und Einblasluft zu ändern. Wenn das Volumen des
durch den Auslass 50 zu entfernenden Feststoffpartikelstroms kleiner
als dasjenige des in der Wärmetauschkammer
eintreffenden heißen
Feststoffpartikelstroms ist, treten die überschüssigen Feststoffpartikel aus
der Wärmetauschkammer 12 direkt
von der Oberfläche des
Betts 14 durch eine Überlauföffnung 58 aus,
die in einer Wand 60 der Wärmetauschkammer unter dem Einlass 24 angeordnet
ist. Die Wand 60 teilen sich am Einlass 24 die
Wärmetauschkammer 12 und die
Feuerung 36. Die Wärmetauschkammer
und die Feuerung können
auch vollständig
getrennt voneinander sein und haben keine/n gemeinsame/n Wand oder
Wandabschnitt. Im Falle von 2 ist
nur der oberste Teil der Wand der Wärmetauschkammer gemeinsam für die Feuerung.
Wenn die Kammern vollkommen getrennt sind, kann ein Kanal oder ein
Rohr dazwischen angeordnet werden, wodurch die die Wärmetauschkammer
verlassenden Feststoffpartikel zurück zur Feuerung geleitet werden
können.
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Die die Vermischung beschränkende Zwischenwand 62,
die im oberen Teil der Wärmetauschkammer 12 zwischen
Einlass 24 und Wirbelschicht 14 angeordnet ist,
leitet die heißen
Feststoffpartikel vom Einlass auf einen Bereich 28' der Oberfläche 28 der
Wirbelschicht 14 zu, die durch Zwischenwand 62 und
Wand 60 der Wärmetauschkammer
abgegrenzt ist. Die Zwischenwand 62 und Wand 60 der
Wärmetauschkammer 12 bilden
einen Leitkanal 66, der oberhalb der Wirbelschicht angeordnet
ist und teilweise in die Wirbelschicht hineindringt. Die Zwischenwand 62 erstreckt
sich weiter nach unten als die Unterkante der Überlauföffnung 58 und verhindert am
Leitkanal die freie Bewegung des eintreffenden Materials auf der
Oberfläche
der Wirbelschicht 14. Andererseits, um einen größeren Verlustraum
zu vermeiden, darf der durch Wand 60 der Wärmetauschkammer
und Zwischenwand 62 gebildete Leitkanal 66 nicht
zu lang sein. Bei dem in 1 beschriebenen
Beispiel ist die Länge
des Leitkanals 66 weniger als 20% von der Tiefe des Betts 14.
Die Zwischenwand 62 erstreckt sich über einen Abstand „h" unter die Oberfläche der
Wirbelschicht, wobei der Abstand typisch 0–50 cm ist. Eine vom Leitkanal
von der Wirbelschicht abgegrenzte Fläche A1 ist
höchstens
30% von der mittleren Querschnittsfläche A der Wirbelschicht.
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Teil der heißen Feststoffpartikel kann
vom Kanal 66 durch die Überlauföffnung 58 zur
Feuerung 36 fließen,
ohne sich mit den Feststoffpartikeln im unteren Teil des Leitkanals
zu vermischen, oder sich lediglich mit einer wesentlich kleinen Menge
abgekühlter
Feststoffpartikel im Bereich des Leitkanals vermischen. Ein verstellbarer
Anteil der heißen
Feststoffpartikel fließt
direkt in einem ungekühlten
Zustand zur Feuerung. Um möglichst
wenig Vermischung der Partikel im Bett 14 mit den durch
die Überlauföffnung 58 ablaufenden
heißen
Partikeln zu haben, ist die Überlauföffnung bei
der Anordnung von 2 sehr nah
am Einlass angeordnet.
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Weil die durch den Auslass 50 ablaufenden Partikel
viel mehr mit den Wärmeübertragungsflächen 30 in
Kontakt kommen als die durch die Überlauföffnung 58 ablaufenden
Partikel, kann die Wärmeübergangsleistung
des Wärmetauschers 10 reguliert
werden, indem das Verhältnis
der Partikelströme geändert wird,
die durch den Auslass 50, beziehungsweise Überlauföffnung 58 ablaufen.
Wenn die Fluidisierungsgeschwindigkeit des Betts 14 konstant ist,
ist die Wärmeübergangsleistung
am höchsten, wenn
alle Partikel durch den Auslass 50 ablaufen, und am niedrigsten,
wenn alle Partikel durch die Überlauföffnung 58 ablaufen.
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In einem typischen Fall wäre die niedrigste Wärmeübergangsleistung,
die bei Ablauf aus der Wärmetauschkammer
lediglich via Überlauf 58 erreicht
wird, in der Größenordnung
von 60–80
der maximalen Leistung, wenn keine Zwischenwand 62 vorgesehen
ist. Dank der Zwischenwand 62 ist der Partikelaustausch
im Bett 14 bei Benutzung der Mindestleistung unbedeutend,
und die Mindestleistung kann gar so niedrig wie nur 20% von der
Höchstleistung sein.
Diese Erweiterung des Regelbereichs ist von großer Bedeutung, wenn verschiedenartige
Regelung des Wärmetauschers 10 erforderlich
ist.
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Der Leitkanal 66 und die
den Zulauf heißer Feststoffpartikel
begrenzende Überlauföffnung sind bevorzugt
an einer Stelle ausgebildet, von wo die Feststoffpartikel auf einfache
Weise der Feuerung zurückgeführt werden
können.
Im Fall von 2, die den
Querschnitt an der Überlauföffnung darstellt, sollte
die Überlauföffnung in
der Mitte der Wand 60 des Wärmetauschers angeordnet sein.
Gewünschtenfalls
können
der Leitkanal und die Überlauföffnung in
einer Seite des Wärmetauschers
oder an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet sein, oder es könnte mehr
als eine einzige Überlauföffnung,
mit Abstand zueinander angeordnet, geben.
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Bei der Anordnung von 4 werden soweit zutreffend
die gleichen Bezugszeichen wie in 1, 2, und 3 benutzt.
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4 stellt
eine Wärmetauschkammer 12 eines
Wärmetauschers 10 dar,
welche Wärmetauschkammer
außerhalb
einer Wand 60 in einer Feuerung 36 eines Wirbelschichtreaktors,
Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht oder Reaktors mit brodelnder Wirbelschicht
angeordnet ist. Ein Bett 14 von Feststoffpartikeln wird
durch Fluidisierungsgas fluidisiert, das durch einen Rost 72 aus
einem Windkasten 70 eingeblasen wird, und Wärmeenergie
wird aus dem Bett mittels Wärmeübertragungsflächen 30 zurückgewonnen.
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Der Strom von Feststoffpartikeln
wird durch einen Einlass 74 zur Oberfläche 28 des Feststoffpartikelbetts 14 geleitet.
Die durch den Einlass 74 eintretenden heißen Feststoffpartikel
werden durch einen, von einer Zwischenwand 76 gebildeten
Leitkanal 78 zur Wirbelschicht hin, zu einem abgegrenzten
Bereich 28' auf
seiner Oberfläche
geleitet. Heiße
Feststoffpartikel fließen
durch eine Überlauföffnung 80 ab,
die in dem durch die Zwischenwand abgegrenzten Bereich vorgesehen
ist, wobei die Oberfläche
der Wirbelschicht zur Unterkante der Überlauföffnung bündig oder höher liegt.
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Ein vertikaler Steigkanal 82 ist
zwischen Feuerung 36 und der eigentlichen Wärmetauschkammer 12 des
Wärmetauschers 10 ausgebildet.
Die Wärmetauschkammer 12 und
der Steigkanal 82 stehen über einen Auslass 84 in
ihrem unteren Teil miteinander in Verbindung. Der obere Teil des
Steigkanals ist mit einer zweiten Überlauföffnung 88 in der für Steigkanal
und Feuerung gemeinsamen Wand 86 versehen zur Entfernung
von Feststoffpartikeln als Überlauf
vom Steigkanal zur Feuerung.
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Das Verhältnis des Volumens des durch
die zweite Überlauföffnung 88 des
Steigkanals 82 ablaufenden Feststoffpartikelstroms „V" zu demjenigen des
durch die im oberen Teil der Wärmetauschkammer
angeordnete Überlauföffnung 80 austretenden Stroms „v" kann durch ein Ventil 90 eingestellt
werden, das das Volumen des durch Kanal 82 ablaufenden
Stroms, d. h. die Fluidisierung reguliert. Dank der die Vermischung
verhindernden Zwischenwand 76 vermischt sich der durch Überlauföffnung 80 ablaufende
Strom nicht wesentlich mit den Partikeln in der Wirbelschicht 14.
Der Feststoffpartikel strom durch die Überlauföffnung 80 besteht
aus kürzlich
durch den Einlass 74 eingeflossenen heiflen Feststoffpartikeln.
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Die Erfindung wurde oben im Zusammenhang
mit Ausführungsformen
beschrieben, die man derzeit für
die bevorzugtesten hält.
Es muss jedoch verstanden werden, dass die Erfindung nicht allein auf
diese Ausführungsformen
begrenzt ist, sondern auch eine Anzahl anderer Anordnungen innerhalb des
Schutzumfangs von Erfindung deckt, der durch die nachstehenden Patentansprüche festgelegt
ist.
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Somit muss man verstehen, dass der
Wärmetauscher
auch auf irgendeine andere Weise in Verbindung mit der Reaktionskammer,
z. B. im Inneren der Reaktionskammer angeordnet sein kann.
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Dem zufolge kann der Partikeleinlass
derart angeordnet sein, dass er in Verbindung mit dem inneren Materialumlauf
der Reaktionskammer funktioniert.
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Des Weiteren können die Anzahl von Einlässen und
Auslässen,
deren Lage und Konstruktion von dem hier Beschriebenen abweichen,
und die Konstruktion und Form der die Vermischung von Partikeln
einschränkenden
Mittel können
ebenfalls von den hier beschriebenen Ausführungsformen abweichen.