DK157632B - Regenerativ varmeudveksler - Google Patents

Description

i

DK 1S7 6 i 2 B

Opfindelsen angår.en varmeudveksler af den i krav l's indledning angivne art.

Sådanne varmeudvekslere anvendes ved højovne, glassmelteovne og andre anvendelsesområder. Opfindelsen skal i det følgende 5 forklares under henvisning til varmeudvekslerens anvendelse ved glassmelteovne, eftersom den især har vist sig anvendelig på dette område. Det vil imidlertid for fagfolk på dette område være indlysende, at varmeudveksleren ifølge opfindelsen også kan anvendes på andre områder.

10 Det er almindelig praksis at opbygge varmeudvekslere for glassmelteovne af normale ildfaste sten, dvs. rektangulære formlegemer med en størrelse på 23 cm x 11,5 cm x 6,4 cm. Imidlertid kan de til samvirke med gassmelteovne bestemte varmeudvekslere udformes på mange forskellige måder under 15 anvendelse af en sådan standardiseret ildfast sten, og konstruktionen af en sådan varmeudveksler kræver en omhyggelig afvejning mellem flere forskellige faktorer.

En af disse faktorer er tværsnitsarealet af de lodrette kanaler gennem varmeudveksleren. (Det er almindelig praksis 20 at opbygge de varmeudvekslere, der skal samvirke med glassmelteovne, på en sådan måde, at gasserne strømmer lodret gennem varmeudveksleren. Det vil imidlertid være indlysende for fagfolk på området, at opfindelsens principper med samme virkning kan anvendes på varmeudvekslere, hvori gasserne 25 strømmer vandret.) Til opnåelse af en maksimal varmeudveksling er det ønskeligt, at kanalerne er snævre. Imidlertid medfører snævre kanaler stort trykfald over varmeudveksleren, dersom den fornødne gasmængde skal bevæges gennem den. Snævre kanaler har også en større tilbøjelighed til tilstopning, 30 f.eks. af materiale, der føres ud fra glassmelteovnen af de varme gasser, der strømmer derfra til varmeudveksleren.

En anden faktor er tykkelsen af de ildfaste vægge mellem kanalerne. Jo tyndere disse vægge er, desto hurtigere vil var- 2

DK 157632 B

men trænge ind til væggens midte, hvorved stenens masse udnyttes bedre. På den anden side kan der i en tykkere ildfast væg oplagres en større varmemængde. Hvad der måske er endnu, vigtigere er, at dersom væggen er for tynd, kan var-5 meudveksleren blive mekanisk ustabil og falde sammen. (Det er i disse varmeudvekslere sædvanlig praksis at anbringe den normale ildfaste sten liggende på siden på en sådan måde, at deh· i-ldf aste væg mellem kanalerne er 6,4 cm tyk, og højden af et enkelt lag sten i varmeudveksleren er 11,5 cm.

10 Selv om det er ganske nemt at fremstille tyndere sten, f.eks. med en tykkelse på 3,8 cm, forekommer det, som om 6,4 cm er den mindste tykkelse, hvormed der kan Opnås en tilfredsstillende stabilitet under anvendelse af standardiserede sten.)

En yderligere faktor, der bør tages i betragtning, er mængden 15 af massivt ildfast materiale pr. volumenenhed af varmeudveks-leren, også kaldet rumfaktoren. Jo højere rumfaktor, desto større er den varmemængde, der kan oplagres i volumenenheden. Denne faktor, kanajLstørrelsen og vægtykkelsen er indbyrdes afhængige. F.eks. medfører en høj rumfaktorværdi et mindre 20 kanalvolumen med deraf følgende ulemper.

Endnu en .faktor er varmeudveks lerens. specifikke overflade, dvs. det areal af varmeoverføringsoverflade, der står til rådighed for hver volumenenhed af fast ildfast materiale.

Det er ønskeligt, at denne faktor er stor, så at varmeover-25 førslen fra gasserne til det ildfaste materiale eller omvendt kan være hurtigere. (Det er her underforstået, at i en til en glastank eller en glassmelteovn knyttet varmeudveksler, vil varmeudvekslerens sten først blive opvarmet af varme forbrændingsgasser, som fra glassmelteovnen strømmer ned 30 gennem varmeudveksleren til skorstenen, og at gasstrømningen gennem varmeudveksleren derpå vendes, så at kølig indstrømmende forbrændingsluft strømmer op gennem varmeudveks-leren, hvorved den for-varmes, før den strømmer ind i glassmelteovnen som forbrændingsluft for brændslet i ovnen) - 3

DK 167632B

Med henblik på varmeoverførslen er det ønskeligt at have en stor specifik overflade, men dette medfører på den anden side et større kanalvolumen og en forholdsvis mindre rumfaktor, sammen med de deraf følgende ulemper.

5 Det vil således kunne indses, at når en varmeudveksler, f.eks. til anvendelse :med englassmelteovn eller glastank, skal konstrueres, foreligger der et stort antal valgmuligheder, der må udnyttes med henblik på med de til rådighed stående materialer at opbygge en så effektiv varmeudveksler som 10 muligt. En kort omtale af nogle tidligere kendte varmeud-veksleres opbygning vil vise, hvorledes disse faktorer er blevet håndteret i praksis.

Fig. 1 viser således en velkendt varmeudveksler-opbygning, kendt under betegnelsen "kurvefletning". Som det fremgår af 15 tegningen, giver denne opbygning for en given stenstørrelse forholdsvis små kanaler, der forløber uafbrudt fra øverst til nederst i varmeudveksleren og ikke er forbundet med nogen tilstødende kanal. Denne opbygning er meget stabil, men er behæftet med en betydelig ulempe: dersom der et eller an-20 det sted i en kanal optræder en tilstopning, vil den pågældende kanal blive sat helt ud af drift, så at varmeudveks-lerens ydeevne formindskes, samtidig med at det trykfald, der er nødvendigt til at drive en given gasmængde gennem varmeudveksleren, forøges.

25 Fig. 2 viser en nært beslægtet og almindeligtanvendt varmeudveks ler-opbygning, der kendes under betegnelsen "åben kurvefletning". Som det fremgår af tegningen, er de enkelte sten lagt i det samme mønster som i den i fig. 1 viste "kurveflet-ning", men er anbragt med indbyrdes vandrette afstande. Her-30 ved fremkommer uafbrudte lodrette kanaler, som hver i hvert stenlag er forbundet med de fire tilstødende kanaler. Et resultat af denne opbygning er, at kanalerne er en smule større end kanalerne i den i fig. 1 viste "kurvefletning", og at rumfaktoren i overensstemmelse hermed er mindre. Det mest be-35 tydningsfulde træk ved denne åbne udformning er imidlertid 4

DK 157632B

formentlig, at dersom der et eller andet sted i en kanal optræder en tilstopning, kan de gennem den pågældende kanal strømmende gasser strømme udad til de tilstødende kanaler og tilbage til den blokerede kanal nedstrøms fra tilstopnin-5 gen. Således vil en tilstopning ikke i den samme udstrækning påvirke varmeudvekslerens kapacitet. En anden fordel ved denne åbne udformning består i, at der i de gennemstrømmende gasser dannes turbulens med heraf følgende forbedret varmeudveksling mellem gasserne og det faste materiale.

10 Fig. 3 viser en tredje type tidligere kendt varmeudveksler-udformning, hvori stenene i hvert lag er anbragt i indbyrdes flugtende rækker, der ligger på tværs af rækkerne i de over- og underliggende lag. Denne udformning betegnes somme tider som en udformning med åbne kanaler. Som det fremgår 15 af fig. 3, giver denne udformning de største kanaler af de tre omtalte udformninger, men samtidig den mindste rumfaktor.

På den anden side medfører den meget åbne opbygning, at problemerne med tilstopning bliver mindre, og at der stort set opnås en formindskelse af det fornødne trykfald over udveks-20 leren (med heraf følgende besparelser i de til transport af de varme gasser nødvendige blæsere og motorer).

Ud over de omtalte varmeudveks ler-opbygninger, hvori der anvendes standardiserede ildfaste sten, findes der mange specielt udformede sten, der er blevet foreslået udelukkende 25 til brug i varmeudvekslere. Der kan f.eks. henvises til US-patentskrifterne nr. 2.451.392, 3.456.937 og 4.282.923. I princippet repræsenterer disse udformninger forsøg på at opnå en maksimal termisk virkningsgrad i en given type varme-udveksler for en given anvendelse. Det vil føre for vidt at 30 give en detaljeret omtale af hver af disse kendte formlegemer, men det kan nævnes, at ingen af de omtalte skrifter beskriver en varmeudveksler svarende til opfindelsen.

Det er opfindelsers formål at anvise udformningen af et ildfast formlegeme og en af et antal sådanne formlegemer op- 5

DK 157622B

bygget varmeudveksler, der medfører en forøgelse af en var-meudvekslers virkningsgrad sammenlignet med tidligere kendte varmeudvekslere, navnlig hvad angår varmeudvekslerens mekaniske stabilitet, tykkelsen af væggene mellem kanalerne og 5 dannelsen af turbulens i de gennem varmeudveksleren strømmende gasser.

Det angivne formål opnår ved en varmeudveksler af den i krav l's indledning angivne art, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved den i krav l's kendetegnende del anførte ud-10 formning. Ved den udformning får varmeudveksleren mindst to forskellige kanaltyper, herunder a) en første kanaltype, der har åbninger til hver af de fire tilstødende kanaler i hvert andet lag og ingen forbindelse til nogen anden kanal i lagene mellem lagene med åbninger, 15 og b) en anden kanaltype, der har åbninger til to modsatbeliggen-de, tilstødende kanaler i hvert andet lag og åbninger til de to andre modsatbeliggende, tilstødende kanaler i de mellemliggende lag.

20 Herved opnåsy (1) at det er muligt at anvende forholdsvis tyndere ildfaste vægge mellem kanalerne, end hvad der er muligt ved de ovenfor omtalte kendte udformninger i en mekanisk set meget stabil opbygning, og 25 (2) at de indbyrdes forbindelser mellem de to forskellige kanaltyper fører til turbulens i de strømmende gasser og således forøger varmeoverføringen.

Det antages, at de to kanaltypers forskellige aerodynamiske konfigurationer fører til en trykforskel mellem de to kanaler 30 ved samme niveau og dermed strømning fra en kanal til en anden, hvad der igen fører til turbulens, som vil hæmme eller forhindre dannelsen af et laminært grænselag og forøge varme-overføringskoefficienten. Dannelsen af et grænselag er som bekendt uønsket, eftersom det nedsætter varmeoverføringen mel-35 lem gassen og det faste materiale.

6

DK 157632B

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig, 1-3 i perspektiv viser tre forskellige kendte opbygninger af varmeudvekslere, 5 fig. 4- i perspektiv viser et ildfast formlegeme, der anvendes til opbygning af en varmeudveksler ifølge opfindelsen, og fig. 5 i perspektiv viser et eksempel på udformningen af en varmeudveksler ifølge opfindelsen.

10 En ildfast blok, der anvendes til opbygning af en varmeudveksler ifølge opfindelsen, er vist i fig. 4. I grundtrækkene er den en rektangulær blok 11 med to massive vanger 12, der er forbundet med hinanden ved hjælp af to tværstykker 13. Blokken har med andre ord tre kanaldannende udsparinger på række 15 langs med sin længde, idet midterudsparingen 14 omgives af ildfast materiale på fire sider ^og selvsagt er åben foroven og forneden i lighed med samtlige kanaldannende åbninger), og idet to andre åbninger 16, en ved hver ende, omgives af ildfast, materiale på tre sider. Blokkens specifikke mål er 20 ikke kritiske, men en blok, der er blevet anvendt, er 46 cm lang, 23 cm bred og 7,6 cm høj og har en midteråbning med side 14 cm og endeåbninger på 14 cm x 11,5 cm. Det vil imidlertid være- indlysende, at større eller mindre blokke kan anvendes. I den nævnte blok var, som det let kan bestemmes, 25 vægtykkelsen 4,4 cm. Imidlertid kan blokkens vægtykkelse variere fra 2,5 - 5 cm, midteråbningens størrelse fra 10- 16,5 cm, og endeåbningernes størrelse kan variere svarende hertil. Som fagfolk på dette område vil kunne indse, vil blokkens længde, bredde og vægtykkelse påvirke varmeudveks-30 lerens termiske egenskaber, og vil blive valgt med henblik herpå. Blokkens højde vil i almindelighed blive således dimensioneret, at antallet af blokke i varmeudveksleren bliver mindst mulig (for at spare arbejdsomkostninger under opbygningen), uden at hver enkelt blok bliver for tung til 35 at håndtere. Imidlertid kan højden på åbningerne mellem kanalerne og disses rumlige frekvens, som direkte afhænger af blokkens højde, have en vis indflydelse på de termiske egenskaber..

7

DK 157632 B

Et antal ildfaste blokke af den i fig. 4 viste udformning samles som vist i fig. 5 til, hvad der kan betegnes som en "åben kurvefletning". Nærmere angivet lægges blokkene i et hvilket som helst lag (f.eks. det i fig. 5 viste første 5 lag) i linier på en sådan måde, at de skiftevis ligger på langs og på tværs langs med linien, idet blokkene i en tilstødende række lægges på lignende måde, men forsat med en halv bloklængde i rækkens længderetning. Slutresultatet er, at ud over det massive kanalorgan, der dannes af midteråbnin-10 gerne 14 i blokkene, og de kanalsegmenter, der dannes af de tresidede åbninger 16 i én blok vendende imod en tilstødende bloks massive vange, er der fremkommet et tredje kanalsegment 17, dannet ved sammenstillingen af fire blokke. Mellemrummet 18 mellem blokkene, som fortrinsvis er mindst 2,5 cm 15 bredt, danner åbninger mellem de to sidstnævnte typer af kanalsegmenter, hvilke åbninger tillader gasstrømning fra en kanal til den næste.

Det næste lag ildfaste blokke (f.eks. det i fig. 5 viste lag 21) anbringes over det første lag 19, men forsat i en 20 diagonal retning. Med andre ord vil det massive kanalsegment, der dannes af midteråbningen 14 i det andet lag 21, ligge over det kanalsegment 17, som i det første lag 19 dannes ved sammenstillingen af fire blokke. Det tredje lag blokke (f.eks. det i fig. 5 viste lag 22) lægges derpå lodret flugtende med 25 blokkene i det første lag 19, hvorpå opbygningen fortsætter på samme måde til den øverste del af varmeudveksleren.

Nettoresultatet af denne opbygning er, at der i varmeudveksleren findes to klart forskellige kanaltyper i varmeudveksleren. Den første kanaltype har fire åbninger til de fire tilstø-30 dende kanaler i hvert andet lag i opbygningen. (Med betegnelsen "tilstødende" menes her de kanaler, der ligger nærmest til og har en fælles væg med den givne kanal.) Den anden kanaltype, der er dannet af denne opbygning, har åbninger i hvert lag i kanalen, men kun til to over for hinanden liggende 35 tilstødende kanaler, idet åbningerne 40 til et par tilstøden-

DK 157632 B

8 de kanaler i ét lag og i hvert andet lag over og under dette lag, og til det andet par tilstødende kanaler i det mellemliggende lag. Med andre ord er varmeudveksleren ifølge opfindelsen opbygget på en sådan måde, at der ved anvendelse af 5 en enkelt-type ildfast blok fremkommer to forskellige kanaltyper. (Det vil være indlysende, at afskårne blokke, såsom den i fig. 5 viste blok 23, anvendes ved varmeudvekslerens kanter og hjørner.)

Opbygningen af varmeudveksleren ifølge opfindelsen er vist 10 og beskrevet under henvisning til den i fig. 4 viste blok, . · men det vil kunne indses, at opfindelsens grundlæggende principper er at finde i de to beskrevne, forskellige kanaltyper, og at andre typer af ildfaste blokke kunne anvendes til udøvelse af opfindelsen.

15 I det foregående er opbygningen af varmeudveksleren ifølge opfindelsen beskrevet med de enkelte blokkes kanaldannende elementer i ét lag flugtende nøjagtigt med de kanaldannende elementer i blokkene i det underliggende lag, men det vil kunne indses, at en sådan nøjagtig flugtning ikke er nødvendig.

20 Faktisk kan der opnås en fordel, f.eks. i form af forøget turbulens, ved at anbringe blokkene på en sådan måde, at de kanaldannende åbninger i de forskellige lag ikke flugter helt nøjagtigt med hinanden.

Eftersom varmeudvekslere for glastanke og til andre formål 25 kan have en levetid på fra 5-7 år eller endda længere, er det endnu ikke muligt ud fra praktiske erfaringer ved industriel anvendelse at vise, at varmeudveksleren ifølge opfin-> delsen er bedre end tidligere kendte varmeudvekslere. For at demonstrere de termiske egenskaber ved en varmeudveksler iføl-30 ge opfindelsen blev der konstrueret en datamat-model af en

DK 157632B

9 varmeudveksler for glastanke, og virkningerne af at ændre forskellige parametre blev bedømt med hensyn til deres indflydelse på modellens ydelse, først og fremmest den termiske virkningsgrad og den højeste temperatur, hvortil den indstrøm-5 mende luft kunne opvarmes ved at passere varmeudvekslerens øverste del.

Uden at beskrive modellen i detaljer kan det nævnes, at den er konstrueret med henblik på som inddata at tage hensyn til tretten forskellige ovnparametre, herunder glasfremstillings-10 hastigheden, ovnens varmetab, ovnens afgastemperaturer, fugtighed i vådt råmateriale samt temperaturen i den kolde luft og 15 faktorer vedrørende regeneratorens egenskaber, herunder dimensioner, specifikt overfladeareal, rumfaktor, luftinfiltration, kanalåbningernes størrelse, indstrømmende lufts fceirr 15 peraturer samt varmeoverføringskoefficienter. De særlige inddata-parametre, der vedrører de forskellige udformninger af regeneratorer er: specifikt overfladeareal, rumfaktor, den til rådighed for gennemstrømning stående brøkdel af tværsnits-arealet, kanalåbningernes størrelse samt korrelationskoeffi-20 cienter for konvektionsvarmeoverføring.

Denne model blev anvendt til at beregne egenskaberne for to hypotetiske, men realistiske, varmeudvekslere for glastanke, hvoraf den ene var udformet med den kendte "åbne kurvefletning" under anvendelse af blokke på 23 cm x 11,5 cm x 6,4 om 25 med mellemrum på 3,2 cm, og den anden konstrueret i overensstemmelse med opfindelsen under anvendelse af blokke med en 4 længde på 38 cm, en bredde på 20 cm, en midteråbning på 11,5 cm og en vægtykkelse på 4,4 cm, idet blokkene var anbragt med mellemrum på 2,5 cm. Begge smelteovne var baseret på en 30 glasproduktionshastighed på 20 tons pr. time, en afgastemperatur på 1540°C og en temperatur i den tilførte luft på 205°C ved rytterbuerne. Hver varmeudveksler var 4,6 m høj, 18,3 m lang og 3,7 m bred. Den tidligere kendte varmeudveksler 2 3 havde et specifikt arealforhold på 0,135 cm /cm , en rumfak- tor på 0,46 og en til rådighed for strømningen stående brøk del af tværsnitsarealet på 0,41. Tilsvarende værdier for var- 2 3

DK 157632B

ίο meudveksleren ifølge opfindelsen var henholdsvis 0,177 cm /cm , 0,44 og 0,52.

5 Det vil således kunne ses, at varmeudveksleren ifølge opfindelsen havde et højere specifikt overfladeareal og strømningstværsnit og en noget lavere rumfaktor.

Ved hjælp af modellen blev det beregnet, at den nødvendige varmetilførsel til smelteovnen med den tidligere kendte 10 varmeudveksler til at opretholde den angivne produktionshastighed var 157 GJ/h, medens smelteovnen med varmeudveks-leren ifølge opfindelsen kun krævede 140 GJ/h, svarende til en reduktion på over 5%. For fagfolk på dette område vil det være åbenbart, at denne nedsættelse af varmeforbruget for 15 en given glasproduktionsmængde er af stor økonomisk betydning.

Et andet mål for virkningsgraden af en regenerativ varmeudveksler for en glastank er den gennemsnitlige regeneratorvirkningsgrad, der defineres som temperaturforøgelsen i den indstrømmende luft under dennes passage op gennem varmeudveks-20 leren divideret med forskellen mellem ovnens afgastemperatur og den indstrømmende lufts temperatur. Under anvendelse af modellen opnåedes en gennemsnitlig regeneratorvirkningsgrad på 67,6% for den tidligere kendte varmeudveksler, medens den tilsvarende værdi for varmeudveksleren ifølge opfindelsen var 25 73,8%. Også her fremgår det tydeligt, at varmeudveksleren ifølge opfindelsen repræsenterer en forbedring.

Claims (6)

1. Varmeudveksler af den art, der omfatter individuelle rektangulære ildfaste blokke (11), som hver 5 har tre indbyrdes flugtende, kanaldannende åbninger, der omfatter to modsat beliggende ende-åbninger (16), som hver på tre sider er omgivet af blokkens ildfaste materiale, samt en midteråbning (14), som på fire sider er omgivet af blokkens ildfaste materiale, idet et antal blokke (11) er 10 anbragt i oven op hinanden beliggende vandrette lag (19, 21,22) på en sådan måde, at deres åbninger (14,16) afgrænser indbyrdes forbundne lodrette kanaler, der strækker sig gennem varmeudveksleren i dennes fulde højde, kendetegnet ved, 15 a) at blokkene i hvert lag er lagt i linie, hvori blokkene skiftevis ligger på langs og på tværs af linien, b) at blokkene i en linie er forskudt med en halv bloklængde i forhold til blokkene i en tilstødende linie, idet der ved den således fremkomne sammenstilling af 20 fire blokke dannes et kanalsegment og c) at blokkene i det næste overliggende lag (21) er forsat i en diagonalretning i forhold til blokkene i det første lag (19).

2. Varmeudveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved, 25 a) at de kanaler, der omfatter de ved sammenstilling af fire blokke dannede segmenter (17), i hvert andet lag står i forbindelse med hver af de fire tilstødende kanaler, mens de i de mellemliggende lag ikke står i forbindelse med nogen anden kanal, og 30 b) at de kanaler, der omfatter blokkenes ende-åbninger (16), i hvert andet lag står i forbindelse med to overfor liggende tilstødende kanaler, mens de i de mellemliggende lag står i forbindelse med de to øvrige over for hinanden beliggende tilstødende kanaler.

3. Varmeudveksler ifølge krav 2, kendetegnet ved, at DK 157632 B åbningerne mellem de to kanaltyper strækker sig fra øverst til nederst i et enkelt lag og er mindst 2,5 cm brede.

4. Varmeudvekslser ifølge et eller flere af kravene 5 1-3, kendetegnet ved, at de kanaldannende åbninger danner kanaler, hvis side måler fra 10 til 16,5 cm.

5. Varmeudveksler ifølge et eller flere af kravene 1-4, kendetegnet ved, at det ildfaste materiale, der omgiver de kanaldannende åbninger, er mellem 2,5 og 5 cm 10 tykt·

6. Varmeudveksler ifølge et eller flere af kravene 1-5, kendetegnet ved, at den ved kanterne har tilskårne blokke (23).