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Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen staubförmigen
und flüssigen Stoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Wärmeübertragung zwischen staubförmigen und flüssigen Stoffen unter geringsten
Wärmeverlusten.
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In Sonderheit ist die Anwendung der Erfindung vorteilhaft beim Kühlen
heißer staubförmiger Stoffe, wie kalzinierten Aluminiumoxyds u. ä., bei gleichzeitiger
Abwärmeverwertung.
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Das Kühlen eines derartigen Stoffes wurde bisher in der Regel in Drehrohrkühlern
vorgenommen, die eine Reihe von Nachteilen mit sich brachten, deren bedeutendster
darin liegt, daß sie eine verhältnismäßig niedrige Kühlleistung je Längeneinheit
aufweisen, teuer in der Herstellung und Unterhaltung waren und keine wirksamen Mittel
kannten, um die den feinverteilten festen Stoffen entzogene Wärme in irgendeiner
wirtschaftlich praktischen Weise wiederzugewinnen. Es ist gelegentlich möglich gewesen,
einen Schüttwinkel von feinstverteilten festen Stoffen bis zu einem Punkt herabzusetzen,
,an dem die festen Stoffe, ähnlich wie Flüssigkeiten, eine weite Flächenausdehnung
anstreben. Dies geschah, indem man einen sorgfältig geregelten Luftstrom oder ein
anderes Gas durch den festen Stoff von unten nach oben hindurchsteigen ließ. Da
in diesem Zustand die staubförmigen Stoffe als fließend bezeichnet werden können,
sind verschiedene wirtschaftliche Anwendungen dieser Erscheinung bereits vorgeschlagen
worden. Es hat sich dabei z. B. herausgestellt, daß fließende feste Stoffe durch
einen Turm von geeigneten Abmassen entgegen dem Gegenstrom von Gasen in im wesentlichen
derselben Art abwärts bewegt werden können, wie z. B. eine Flüssigkeit in einem
Kühlturm entgegen dem Gegenstrom eines Gases. Diese Art von Vorrichtungen
ist
für verschiedene. Zwecke einschli,eß, lich des direkten Wärmeaustausches zwischen
den aufsteigenden Gasen und den herabfallenden fließenden festen Körpern vorgeschlagen
worden. Im Hinblick auf die große Höhe, die für diese Art von Vorrichtungen erforderlich
ist und auf die, Schwierigkeit, die von dem aufsteigenden Gas aufgenommene Hitze
praktisch wiederzugewinnen, ferner auf die Schwierigkeit, die sich durch das Mitreißen
staubförmiger Teilchen im Gasstrom bietet, hat sich dieses Kühlverfahren nicht durchsetzen
können, um die Kühlung solcher Stoffe wie kalzinierten Aluminiumoxyds durchzuführen.
Bisher ist also ein zufriedenstellendes Verfahren zur Durchführung dieses Arbeitsganges
nicht gefunden worden, der eine im Rahmen des Möglichen liegende Wiedergewinnung
einer praktisch wertvollen, von dem staubförmigen Stoff eingebrachten Wärmemenge
erlaubte.
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` Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen,
die in wirksamer Weise den Kühlprozeß für heiße staubförmige Stoffe ermöglichen,
während für die Rückgewinnung eines sehr hohen Prozentsatzes der bei der Kühlung
abgegebenen Wärmemenge Sorge getragen ist. Des weiteren werden durch die Einfachheit
der Abmessung und das Fehlen bewegter Teile in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Herstellungskosten niedrig gehalten und die Unterhaltskosten auf einen Mindestwert
herabgesetzt. Außerdem wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen,
die es erlaubt, auf die beanspruchte Raumeinheit eine hohe Kühlleistung und einen
hohen Stundendurchsatz des zu behandelnden Stoffes zu erreichen, ohne dabei zusätzliche
Raumhöhen zu erfordern, so daß also die in Industriebauten übliche Raumhöhe für
die Unterbringung der Vorrichtung ausreicht.
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Gemäß der Erfindung wird eine waagerecht liegende Schicht heißer staubförmiger
Stoffe in fließendem Zustand erlangt, indem man den gleichförmig einstellbaren Strom
eines gasförmigen Mediums von unten nach oben durch die Schicht treten läßt und
das fließende Material auf diese Weise zu einem 0 wesentlichen waagerechten Fluß
durch Kühlelemente veranlaßt, die innerhalb der Schicht angeordnet sind, wobei man
in ununterbrochenem Arbeitsgang heiße staubförmige Stoffe in den untersten Schichtbereich
am einen Ende der Schicht zugibt und ein ununterbrochenes Überfließen des gekühlten
fließenden Gutes am anderen Ende der Schicht herbeiführt. Das die Fließbewegung
bewirkende gasförmige Medium wird dann von dem staubförmigen Gut bei dem Abfluß
des letzteren am Ende der Schicht getrennt, und das gefühlte staubförmige Gut kann
anschließend zum Verladen oder zu einem weiteren Arbeitsgang weiter bewegt werden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist im allgemeinen als einfache
Konstruktion ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einer langen Förderrinne,
deren Boden von einem luftdurchlässigen Stoff gebildet wird. durch den ein die Fließbewegung
erzeugendes gasförmiges !Medium unter Druck hindurchtreten kann. Eine Druckkammer
von entsprechenden Abmessungen ist unterhalb dieses Bodens angeordnet und mit geeigneten
Mitteln zum Zuführen eines geeigneten gasförmigen Mediums in einstellbarer Menge
und Druck versehen. An einem Ende der Förderrinne sind Vorrichtungen zur ununterbrochenen
Aufgabe des zu kühlenden, heißen staubförmigen Gutes vorgesehen sowie eine Vorrichtung,
um den Fluß des aufgegebenen Stoffes auf die dem Boden zugewandten Schichtteile
zu begrenzen. Die Zuflußleitung des staubförmigen Stoffes soll dabei vorzugsweise
einstellbar sein. Am anderen Ende der Förderrinne ist ein Überlauf angeordnet, der
vorteilhaft in seiner Höhe einstellbar sein soll und über den das fließende, gekühlte,
staubförmige Gut in einen geeigneten Fülltrichter übertritt. Der Trichter ist in
entsprechender Weise mit einem Austritt für die Gase ausgestattet, die an dieser
Stelle von dem staubförmigen Gut getrennt werden. Geeignete Kühlwindungen sind mit
Anordnungen zum Umwälzen einer Kühlflüssigkeit durch diese Windungen ausgestattet
und in Längsrichtung im wesentlichen über die gesamte Länge der Förderrinne befestigt.
Die Anordnung der Rohre im besonderen kann in jeder beliebigen geeigneten Weise
erfolgen, vorausgesetzt, daß hierdurch der freie Fluß des fließenden Gutes nicht
behindert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben,
in welcher Fig. i einen senkrechten Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der
Erfindung und Fig.2 einen senkrechten Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig.
i gemäß der Linie 2-2 wiedergibt.
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Wie .die Zeichnung erkennen läßt, besteht gemäß dem dort wiedergegebenen
Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung nach der Erfindung aus einer längs verlaufenden
Förderrinne A. Die Rinne A, ist durch den luftdurchlässigen Boden i o in den eigentlichen
Förderteil ii und in die Druckkammer 12 unterteilt. Der Boden kann aus Stoffen,
wie z. B. Canevas-, Drahtgeweben od. ä. - gebildet sein, das auf einem geeigneten
Rost i oa ruht, den Durchtritt von Luft gestattet, dabei aber das staubförmige Gut
zurückhält. Die Druckkammer 12 wird mit Druckluft von einem geeigneten und nicht
gezeichneten Drucklufterzeuger durch den Abschluß 13 und die Druckluftleitung 1q.
versehen.
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Am einen Ende 15 der Förderrinne i i ist ein schräg verlaufender
Teil 16 vorgesehen, der einen Aufgabebehälter 16a bildet und nicht dargestellte
Mittel zur ununterbrochenen Aufgabe des heißen staubförmigen Gutes durch die Zulaufleitung
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aufweist. Der in der Waagerechten einstellbare Einlaufregler 18 gestattet
den Durchtritt von staubförmigem Gut in den oberhalb des Bodens io gelegenen Teil
der Schicht einzig durch den offenen Raum unterhalb dieses Einlaufreglers, der als
Einlauföffnung i 8a bezeichnet ist. Der Einlaufregler 18
ist mit einer Handeinstellung
19 ausgestattet, die im wesentlichen aus einem mit Gewinde versehenen Handrad
20 zur senkrechten Verstellung einer
Spindel. 2 i besteht. Eine
Betätigung des Handrades 2o verstellt also den Einlaufregler 18 in der Höhe
bzw. Tiefe in jede gewünschte Lage.
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Das Maß des Zuflusses von staubförmigem Gut durch eine Einlauföffnung,
wie z. B. die Öffnung I 8a, hängt, wie bereits bekannt, in weiten Grenzen von dem
natürlichen Schüttwinkel sowie von anderen physikalischen Eigenschaften des Gutes
ab. Aus diesem Grunde ist die waagerechte Verstellung des Einlaufreglers 18, obwohl
sie nicht den Hauptpunkt der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, in hohem Maße
erwünscht, um den Zustrom einzustellen und die günstigsten Bedingungen für den Arbeitsgang
in Anpassung an die Änderungen in den physikalischen Eigenschaften des aufzugebenden
Gutes zu ermöglichen.
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Die Oberseite der Förderrinne i i ist von der Außenluft durch eine
Abdeckplatte 22 abgeschlossen, die an Flanschen 22a mittels Schrauben 22U befestigt
ist.
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Die Kühlwindungen 25 sind innerhalb der Förderrinne i 2 angeordnet
und hintereinandergeschaltet, um einen geeigneten Durchfluß des Kühlmittels zu gestatten.
Die Kühlwindungen können dabei sowohl parallel zueinander als in Reihe geschaltet
sein, ohne dadurch das Wesen der Anordnung zu ändern. Ferner sind nicht dargestellte
Mittel vorgesehen, um das Kühlsystem in kontinuierlichem Durchfluß mit einem Kühlmittel
zu versehen, wobei dies mit Gegenstrom gegenüber dem staubförmigen Gut durch die
Förderrinne i i geführt wird.
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Die Kühlwindungen 25 können eine beliebige Form annehmen, vorausgesetzt,
daß hierdurch der freie Fluß des fließenden Stoffes nicht behindert wird. Die Benutzung
einheitlicher flacher Rohrlängen von der Form, wie sie in der Zeichnung dargestellt
sind, hat sich in besonderem Maße bewährt.
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Das Ende 26 der Förderrinne i i ist mit einem in der Höhe verstellbaren
Teil 27 ausgestattet, das einen Überlauf 27a bildet, durch den das fließende
staubförmige Gut in den Trichter 28 übertreten kann. Die Lage des in der Höhe verstellbaren
Teiles 27 wird in gleicher Weise eingestellt wie die des Einlaufreglers, und zwar
durch ein Handrad 3o, das mit Gewinde versehen ist und auf eine in der Höhe einstellbare
Spinde13 i einwirkt.
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Ein Sammelkasten 32 ist oberhalb des Trichters 28 so angeordnet, daß
das die Fließbewegung bewirkende Gas nach seiner Trennung von dem staubförmigen
Gut abgeführt werden kann. Die RinneA wird in geeigneter Weise oberhalb des Bodens
von Traggestellen 33 und 34 getragen.
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Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Heißes staubförmiges
Gut, wie z. B. kalziniertes Aluminiumoxyd, wird auf das Ende 15 der Förderrinne
i i aufgebracht und gelangt durch die Einlauföffnung i 8a auf den durchlässigen
Boden i o. Luft oder ein anderes eine Fließbewegung herbeiführendes gasförmiges
Mittel wird durch den durchlässigen Boden nach oben in einstellbaren Mengen hindurchgegeben
und gelangt, da das staubförmige Gut unterhalb des Einlaufreglers durchtritt, nach
oben, wobei es den Schüttwinkel des Gutes praktisch auf Null herabsetzt. Das staubförmige
Gut verhält sich bei :diesem Vorgang im wesentlichen ähnlich wie eine Flüssigkeit,
ergießt sich über den durchlässigen Boden io und beginnt, die Förderrinne i i anzufüllen.
Sobald der Stand des fließenden staubförmigen Gutes in der Förderrinne i i eine
gewisse Höhe erreicht hat, beginnt es über den Überlauf 27a in den Trichter 28 zu
fließen, und die Menge des überfließenden Gutes in den Trichter entspricht schließlich
der Menge des bei dem Aufgabebehälter 16a frisch aufgegebenen heißen staubförmigen
Gutes. Der Stand des fließenden Gutes innerhalb der Förderrinne i i bleibt im wesentlichen
gleich und ist mit dem Bezugszeichen 35 angegeben. Indessen kann jedes Einzelteilchen
des staubförmigen Gutes von der Eintrittsöffnung i8a zum Überlauf 27a gelangen,
und im Laufe dieses Durchströmens bewegt es sich um die ZVindungen 25, in denen
die Kühlflüssigkeit umgewälzt wird.
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Während das gekühlte fließende Gut im Trichter 28 gesammelt wird,
trennt sich das zur fließenden Bewegung dienende Gas vom Gut und zieht durch den
Sammelkasten 32 nach oben hin ab. Das gekühlte staubförmige Gut wird vom Boden des
Trichters 28 in gewünschtem Maße abgezogen.
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Es versteht sich, daß, trotzdem im Ausführungsbeispiel die Kühlwindungen
hintereinandergeschaltet sind, wobei der Kühlmittelaustritt sich auf der heißen
Seite der Förderrinne i i befindet, jede andere Anordnung zum Austritt des Kühlmittels
vorgenommen werden kann, die ein zufriedenstellendes Ergebnis bringt, und die dargestellte
Vorrichtung kann überdies in gleicher Weise wie zur Kühlung für staubförmiges Gut
auch zur Aufwärmung derartigen Gutes dienen.
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Es hat sich herausgestellt, daß zur Betätigung der Vorrichtung die
Durchtrittsgeschwindigkeit der zum Herbeiführen der Fließbewegung erforderlichen
Luft ausreichend sein muß, um ein vollständiges Fließen herbeizuführen. Die Luftgeschwindigkeit
muß jedoch im wesentlichen unterhalb der Geschwindigkeit liegen, bei welcher ein
Teil oder das gesamte Gut vom Luftstrom mitgenommen wird und ein Gas-Staub-System
bildet.
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Die wirksame Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung durch die Kühlflüssigkeit
ist beachtlich, wie sich aus dem nachstehenden Beispiel erweist, das eine Wärmebilanz
einer normalen Vorrichtung gemäß der Erfindung wiedergibt. Beispiel Eine Vorrichtung,
die ähnlich ausgebildet ist wie die gemäß den Fig. i und 2 und eine Länge von 365,76
cm bei einer Breite von 45,72 cm aufweist, war mit einer Rinne von 3o4,8o cm Länge,
45,72 cm Breite und io6,68 cm Höhe versehen. Sie weist einen einstellbaren Überlauf
und Wärmeelemente in Form von zwei wassergekühlten Windungen auf. Der Laufdurchsatz
zur Erzeugung der Fließbewegung belief sich auf 889I224 ccm pro Minute und 929 qcm.
Die Kühlmittelmenge innerhalb der Kühlwindungen betrug i 8I 2224 ccm pro Minute,
und die Aluminiummenge, die durch die
Vorrichtung gegeben war, betrug
68o385 g pro Stunde. Die Temperatur des Aluminiums am Einlaß betrug 183,05'C und
sank auf 131,8'C am Austritt. Die Temperatur des Kühlwassers betrug am Einlaß 25°
C und stieg auf 89,o5° C am Austritt. Die gesamte Wärmebilanz ist also wie folgt:
| Kcal/min I Prozent |
| a) Gesamte durch das Aluminium |
| eingeführte Wärmemenge .... 1,272 Zoo |
| b) von der fließenden Luft |
| aufgenommene Wärmemenge.. o,1 7,84 |
| c) von der Kühlflüssigkeit |
| aufgenommene Wärmemenge.. . 1,159 90,76 |
| d) Wärmeverluste durch Strahlung o,o176 1,40 |
Die Temperatur im senkrechten Querschnitt durch das Bett wurde vom Boden bis zur
Oberkante des Standes als gleichbleibend festgestellt.
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Die Temperaturabnahme längs der Förderrinne verlief gemäß einer logarithmischen
Funktion entsprechend dem Abstand vom Aufgabeende, sofern die Kühlfläche gleichmäßig
über die Förderrinne verteilt war, und entsprechend der übereinanderlagerung einer
linearen und einer logarithmischen Funktion im Falleiner nicht gleichmäßig verteilten
Kühlfläche.