EP0044476B1

EP0044476B1 - Rohr zur indirekten Wärmebehandlung von rieselfähigen Stoffen und aus solchen Rohren zusammengesetzter Wärmeaustauscher

Info

Publication number: EP0044476B1
Application number: EP81105348A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Keller
Original assignee: Individual
Current assignee: Keller Wolfgang
Priority date: 1980-07-18
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1985-05-22
Also published as: ES8206011A1; EP0044476A2; ES504077A0; EP0044476A3; DE3027187A1; DE3170594D1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Rohres, das um eine Achse, die innerhalb oder ausserhalb des Rohres liegen kann, parallel zum Rohr verlaufend drehbar ist, dessen Rohrmantel aus ebenen Flächen zusammengesetzt ist zur indirekten Wärmebehandlung von pulvrigem bis körnigem, rieselfähigem Gut und die Verwendung eines Wärmetauschers, der aus solchen Rohren aufgebaut ist.
Es ist bekannt, pulvriges bis körniges, rieselfähiges Gut in einem Drehrohrofen, dessen Achse horizontal oder schräg verlaufen kann, wärmezubehandeln. Dabei kann es zu einem direkten oder indirekten Wärmeübergang kommen. Ein indirekter Wärmeübergang liegt dann vor, wenn der Übergang von dem zu behandelnden Feststoff auf ein flüssiges oder gasförmiges Medium oder einen anderen Feststoff über eine Trennwand hin erfolgt, also eine direkte Berührung mit dem zu behandelnden Stoff durch das Wärmeübertragungsmedium vermieden wird.
Der Drehrohrofen kann zur Vergrösserung der Oberfläche in parallel geschaltete Kammern unterteilt sein. Ein kontinuierlicher Verfahrensablauf ist bevorzugt; daher sind in bekannten Drehrohröfen Förderelemente für das zu behandelnde Produkt vorhanden; üblicherweise sind das im (zylindrischen) Rohr an der Innenseite anliegende Wendel. Man weiss, dass es sehr wesentlich ist, dass das zu behandelnde Gut im Rohr gut durchmischt wird, um eine gleichmässige Behandlung und einen guten Wärmeübergang zu erreichen und um eine Schädigung des Gutes zu vermeiden. Daher sind bei bekannten Wärmetauschern zur Verbesserung der Mischwirkung zusätzlich zu den wendelförmigen Förderelementen noch parallel zum Rohrmantel Leitbleche oder Stangen oder andere Schikanen vorhanden, wodurch beim Drehen des Rohres eine bessere Vermischung erreicht wird.
Es ist auch bekannt, dass die Wärmeaustauschfläche eines Apparats dadurch vergrössert wird, dass statt eines Einzelrohres mit einem grossen Querschnitt mehrere kleinere Rohre zu einem Bündel parallel geschaltet sind; auch bei einem solchen rotierenden Bündel wird von einem Drehrohrofen gesprochen.
In der US-A-2 899 176 sind runde Rohre mit Förderelementen beschrieben, bei denen die Hauptwärmemenge durch die Förderelemente übertragen wird. Die Einsätze sind recht aufwendig.
Ebene Flächen bei Wärmetauschern für die Behandlung von Gasen und Flüssigkeiten sind nach FR-A-489 266 oder AU-B-481 237 bekannt. Zwischen dem Wärmeübergang von Feststoff zum Rohr und Flüssigkeit oder Gas zum Rohr bei Drehöfen bestehen erhebliche Unterschiede.
Die Wärmeübergangszahlen in feststehenden waagerechten Rohren, durch die Gase oder Flüssigkeiten geleitet werden, sind ohne weiteres mit denen in drehenden Rohren vergleichbar, während bei Feststoffen in Rohren immer die Drehbewegung zur Bestimmung der Wärmeübergangszahlen notwendig ist.
Der Kühler, wie er in US-A-1 769412 beschrieben wird, zeigt runde Rohre mit Wendeln, die keine Anregung geben, die Rohre eckig auszuführen und die ebenen Flächen mit Leitblechen zu versehen.
Es wurde nun gefunden, dass ein Rohr oder ein Wärmeaustauscher der aus mehreren parallel geschalteten Rohren besteht, vorteilhafte Eigenschaften aufweist, wenn der Rohrmantel aus ebenen Flächen zusammengesetzt ist und schräg zur Rohrachse mindestens auf einer inneren Rohrmantelfläche Leitbleche vorhanden sind. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Rohr zur indirekten Wärmebehandlung von pulvrigem bis körnigem, rieselfähigem Gut, das um eine Achse, die inner- oder ausserhalb des Rohres liegen kann, parallel zum Rohr verlaufend, drehbar ist und dessen Rohrmantel aus ebenen Flächen zusammengesetzt ist und schräg zur Rohrachse mindestens auf einer inneren Rohrmantelfläche Leitbleche vorhanden sind. Ganz besonders bevorzugt sind Rohre, deren Querschnitte quadratisch oder gleichseitig dreieckig sind. Ein aus den erfindungsgemässen Rohren aufgebauter Wärmeaustauscher ist für den Wärmeaustausch mit einem anderen Festmedium besonders geeignet, wenn in dichtester Packung gleichseitige Dreiecke oder Quadrate zusammengeschaltet sind, die so durchströmt werden, dass nicht zwei vom gleichen Medium durchströmte Rohre mit einer Seite aneinander stossen. Bei einem Wärmeübergang auf ein flüssiges oder gasförmiges Medium kann eine zeilenförmige Anordnung der erfindungsgemässen Rohre sinnvoll sein. Der Abstand zwischen zwei solchen Rohrflächenbündeln kann entsprechend den Wärmeübertragungsbedingungen frei gewählt werden.
Das erfindungsgemässe Rohr mit ebenen Flächen hat gegenüber dem bekannten zylindrischen Rohr einige Vorteile, die besonders zum Tragen kommen, wenn mehrere solcher Rohre parallel geschaltet sind. Bei gleichem Querschnitt ist die Wärmeaustauschfläche grösser. Bei geringerem Aufwand als bei zylindrischen Rohren kann die Förder- und Mischleistung durch einfache Einbauten verbessert werden. Während bei einem kreisförmigen Rohr aus herstellungstechnischen Gründen praktisch immer eine an der ganzen Innenwand umlaufende Wendel erforderlich ist und zur Erhöhung der Mischwirkung Schikanen an der Wand erforderlich sind, reicht es bei einem drei-oder viereckigen Rohr aus, wenn an einer Rohrinnenwand schräg zur Achse verlaufend Bleche angebracht sind. Das Verweilzeitspektrum wird durch das Weglassen von Förderelementen auf einigen Innenseiten nicht wesentlich verbreitert.
Wegen der Förderelemente wird der erfindungsgemässe Drehrohrofen in der Regel waagerecht betrieben. Er kann ohne Schwierigkeiten im Gleich- oder Gegenstrom auch von festem Gut durchströmt werden. Fertigungstechnisch ist es erheblich weniger aufwendig, wenn nur auf einer ebenen Innenwand rechteckige Leitbleche angebracht werden müssen, als wenn eine durchgehende Wendel am Innenrohr befestigt werden muss. Solche Rohre können auch ohne Schwierigkeiten mit einem sehr kleinen Querschnitt hergestellt werden. Die Wärmeaustauschfläche kann bei gegebenem Querschnitt des Ofens dadurch beträchtlich erhöht werden; ausserdem wird noch die Durchmischung gegenüber runden Rohren erhöht. Die Kanten, wo die ebenen Mantelflächen zusammenstossen, wirken wie Schikanen. Es hat sich gezeigt, dass bei den erfindungsgemässen Rohren auf Stäbe oder weitere Leitbleche meistens verzichtet werden kann. Trotz der unüblichen Rohrform lässt sich ein Reaktor aus den erfindungsgemässen Rohren wirtschaftlicher als mit runden Rohren gleicher Leistung herstellen.
Bei der Dimensionierung des Wärmeaustauschers treten keine Probleme auf; einige Bedingungen für einen optimalen Wärmeübergang sind jedoch besonders gut anpassbar. Ein solcher Wärmeaustauscher lässt sich sowohl für einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Gas oder einer Flüssigkeit oder auch mit einem anderen festen Stoff besonders gut anpassen. Der dreieckige und rechteckige Querschnitt der Rohre ist bevorzugt. Die an sich naheliegende sechseckige bienenwabenartige Anordnung in einem Wärmeaustauscher ist weniger geeignet. Selbst Rohre mit wenigen Zentimeter Seitenlänge lassen sich realisieren.
Zur Herstellung der Rohrbündel in einem Reaktor reicht es meist aus, wenn entsprechend gefaltete Bleche aussen verschweisst oder verschraubt werden. Es kann dann zwar auftreten, dass über die aneinanderstossenden Kanten Gut von einem Rohr in das benachbarte Rohr gelangt; durch die Rotation ändert sich aber am Füllgrad der einzelnen Rohre wenig. Dass es wichtig ist, das zu behandelnde Gut auf die einzelnen Rohre zu dosieren und die Rohre nicht zu überfüllen, ist dem Fachmann bekannt. Ob die beiden Produktströme in gleiche Richtung oder einander entgegenfliessen, ist bei dem erfindungsgemässen Wärmetauscher ohne Belang. Beide Möglichkeiten sind in einfacher Weise realisierbar.
Bei einem indirekten Wärmeübergang auf ein gasförmiges Medium kann es erforderlich sein, die Spalten, durch die das Gas strömt verhältnismässig eng zu machen, um eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums zu erreichen. Wegen der ebenen Begrenzungsflächen der Rohre ist es leicht möglich, die Abstände zwischen den Rohren sehr gleichmässig auszubilden, was bei runden Rohren niemals möglich ist (in Sonderfällen sind dort sogar doppelmantelige Rohre erforderlich).
Die Form der erfindungsgemässen Rohre erlaubt eine besonders einfache Herstellung der Wärmeaustauschereinsätze.
Die Erfindung ist im folgenden weiter beispielhaft beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: Vierkantrohr mit Förderrippen;
Fig. 2a, 2b: Vierkantrohr mit Förder- und Staurippen;
Fig. 3: Dreieckrohr mit Förderrippen;
Fig. 4a, 4b, 4c: Dreieckrohr mit Förder- und Staurippen;
Fig. 5: Längsschnitt durch einen Feststoff-Feststoffwärmetauscher (Schnitt 5-5 nach Fig. 7);
Fig. 6: Querschnitt durch einen Feststoff-Feststoffwärmetauscher mit Dreieckrohren;
Fig. 7: Querschnitt durch einen Feststoff-Feststoffwärmetauscher mit Viereckrohren (Schnitt 7-7 nach Fig. 5);
Fig. 8: Querschnitt durch einen Feststoff Gas-oder Flüssigkeitswärmetauscher;
Fig. 9: Viereckigen Rohreinsatz für Wärmetauscher;
Fig. 10: Viereckigen Rohreinsatz für Wärmetauscher;
Fig. 11: Dreieckiger Rohreinsatz für Wärmetauscher.

In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemässes Rohr 1 mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Zum Transport des Feststoffes genügt es bei waagerecht liegendem Rohr, wenn auf einer Innenseite rechteckige Förderrippen 2 aufgeschweisst sind. Insbesondere kann auf Schikanen parallel zur Rohrachse im Normalfall verzichtet werden.
In Fig. 2 ist in Quer- und Längsschnitt ein Vierkantrohr 1 mit Förder- 2 und Staurippen 3 dargestellt.
Auch bei einem Dreieckrohr 4, in Fig. 3 hier mit gleichseitigem Querschnitt, ist es normalerweise ausreichend, wenn an einer Innenseite Förderrippen 5 vorhanden sind.
Fig. 4 zeigt ein Dreieckrohr 4 mit Förderrippen 5 und Staurippen 6.
Die Länge der ebenen Flächen im Querschnitt beträgt besonders bevorzugt 80 bis 200 mm.
In vielen Fällen werden die erfindungsgemässen Rohre zur Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche parallel geschaltet. Ein Längsschnitt durch einen solchen Wärmeaustauscher ist in Fig. 5 dargestellt. Die zusammengeschalteten Rohre 10 sind im Normalfall mit einer zylindrischen Hülle 11 umgeben. Der Reaktor wird waagerecht liegend betrieben. In diesem Beispiel soll ein Wärmeaustausch zwischen zwei festen Produkten stattfinden. Das wärmeabgebende Produkt wird in diesem Beispiel über den Einfülltrichter 12 aufgegeben und durchläuft den Reaktor von links nach rechts. Spiegelbildlich dazu ist auf der rechten Seite (hier nicht gezeichnet) eine analoge Aufgabevorrichtung für das kalte Produkt vorhanden; während des Durchlaufes durch die Rohre 10 von rechts nach links nimmt es Wärme auf und tritt über die Austrittsöffnung 13 wieder aus dem Wärmetauscher aus. Die Produktaufgabevorrichtuhg 14 bewirkt eine gleichmässige Zudosierung. Abgestimmt auf die Fördervorrichtungen 15 in den Rohren ist durch die Dosierung 14 immer gewährleistet, dass die Füllhöhe in den Rohren 10 auf der ganzen Länge immer konstant bleibt, und dass auch alle Rohre, die vom gleichen Produkt durchströmt werden, gleich gefüllt sind, allenfalls an den äusseren Rohren des Einsatzes kann eine Korrektur der Menge erforderlich sein, da diese Rohre nicht allseitig in gleicher Weise an Wärmeübergang beteiligt sind. Ein Schnitt 7-7 durch den Wärmeaustauscher in Fig. 5 mit Dreieckrohren ist in Fig. 6, mit quadratischen Rohren in Fig. 7 dargestellt. Die Rohre 10a werden von dem aufzuheizenden Produkt, die Rohre 10b von dem abzukühlenden Produkt in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
Während bei Feststoff/Feststoffwärmetauschern die von den beiden Medien durchströmten Rohre grössenordnungsmässig gleich gefüllt sind und gleichen Querschnitt haben, können bei einem Reaktor mit einem Wärmeübergang zwischen einem festen und einem flüssigen oder gasförmigen Medium (Fig. 8) die Querschnittsflächen auch unterschiedlich sein. Die Rohre 12a sind in diesem Fall bandartig zusammengefasst; durch sie wird das feste Medium geführt. Sie sind allseitig von dem Heiz- oder Kühlgas oder der Flüssigkeit umströmt. Auf die dichteste Packung wurde hier verzichtet, um die Strömungsgeschwindigkeit z. B. des Gases herabzusetzen.
Bei den erfindungsgemässen Wärmeaustauschern ist es möglich, die Einsätze scheibenweise aus gleichen Elementen aufzubauen. Bei Rohren mit einem quadratischen Querschnitt wie in Fig. 9 oder 10, werden zwei Bleche 10, 21 rechtwinklig gefaltet und an ihren Enden verschweisst 22 oder verschraubt 22a.
Selbst wenn dort, wo zwei Kanten aneinanderstossen, in manchen Bereichen ein kleiner Spalt bleibt, wird die Funktionsweise der Wärmeaustauschrohre dadurch kaum gestört, da durch alle von den Platten 20, 21 gebildeten Rohre der gleiche Produktstrom geht und durch die Rotation sich kein Überschuss zwischen zwei Rohren ausbilden kann. Baut man aus Einsätzen nach Fig. 9 einen Wärmeaustauscher auf, so sind die Querschnittsflächen für die beiden Medien gleich. Ein solcher Wärmeaustauscher ist auch mit Einsätzen nach Fig. 10 erreichbar, wenn die Einsätze an ihren Spitzen zusammenstossen und aussen miteinander verschweisst oder verschraubt sind. Einsätze nach Fig. 10 können jedoch auch so zusammengeschaltet werden, dass die Spitzen des oberen Einsatzes in die «Täler» des unteren Einsatzes fallen und so ein beliebig einstellbarer Spalt zwischen beiden Einsätzen entsteht. Dieser Aufbau wird besonders dann bevorzugt, wenn der durch einen Einsatz nach Fig. 10 strömende feste Stoff seine Wärme an eine Flüssigkeit oder ein Gas abgeben bzw. aufnehmen soll, für das natürlich keine rohrförmige Führung notwendig ist. Bei einem flüssigen Medium kann der Spalt zwischen zwei Einsätzen nach Fig. 10 klein sein. Handelt es sich bei dem zweiten Medium um ein Gas, kann es sinnvoll sein, wenn an den Platteneinsätzen nach Fig. 10 aussen Rippen vorhanden sind, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrössern.
Die gleiche Vielfalt wie bei Platten aus viereckigen Rohren nach Fig. 10 kann auch bei Platten mit dreieckigen Rohren nach Fig. 11 erreicht werden. Auch hier genügt es normalerweise wieder, wenn die beiden Platten 23, 24 an ihren Enden 25 verschweisst oder 25 a) verschraubt sind. Werden diese Platten dicht aufeinander gestapelt und seitlich miteinander verschweisst oder verschraubt, erhält man einen Wärmeaustauscher, dessen Querschnittsfläche für beide Medien verhältnismässig gleich ist und der besonders für einen Feststoff/Feststoffwärmetauscher in Frage kommt. Kommt es dagegen zu einem Wärmeübergang auf ein flüssiges oder gasförmiges Medium, so können die einzelnen Abstände auch in einem grösseren Abstand voneinander angebracht sein, wie es beispielsweise auch in Fig. 8 angedeutet ist, oder es können auch die Einsätze nach Fig. 11 so zusammengesetzt werden, dass die Spitzen ineinander greifen bzw. die ebenen Grundflächen einander gegenüber stehen, wodurch sich präzise sehr kleine Abstände einhalten lassen. Bei einer Reparatur am Wärmeaustauscherbündel ist die Wärtungsfreundlichkeit der erfindungsgemässen Einsätze besonders auffällig.
Generell lässt sich sagen, dass sich mit diesen Rohren Wärmeübergangszahlen über 100 W - m -^{1 -}K-¹ bezogen auf die ganze Rohrfläche erzielen lassen.

Claims

1. Verwendung eines Rohres, das um eine Achse, die innerhalb oder ausserhalb des Rohres liegen kann, parallel zum Rohr verlaufend drehbar ist, dessen Rohrmantel (1, 4, 20, 23) aus ebenen Flächen zusammengesetzt ist und schräg zur Rohrachse mindestens auf einer inneren Rohrmantelfläche Leitbleche (2, 5) vorhanden sind, zur indirekten Wärmebehandlung von pulvrigem bis körnigem, rieselfähigem Gut.

2. Verwendung eines Wärmetauschers, bestehend aus einem Rohrbündel, das um eine gemeinsame Achse, parallel zu den Rohren verlaufend drehbar ist, das eine Beschickungseinrichtung (14) für die einzelnen Rohre aufweist, die Rohrmäntel (1, 4, 20, 23) jedes Rohres des Bündels aus ebenen Flächen zusammengesetzt sind, schräg zur Rohrachse mindestens auf einer inneren Rohrmantelfläche Leitbleche (2, 5) vorhanden sind, zur indirekten Wärmebehandlung von pulvrigem bis körnigem, rieselfähigem Gut.

3. Rohrbündelschicht zum Einbau in Drehrohrwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre der Rohrbündelschicht gleich und aus ebenen Flächen (20, 21, 23, 24) zusammengesetzt sind, die Rohre zeilenförmig nebeneinander angeordnet, nur mit den Kanten aneinander stossen und auf allen Seiten von einem anderen Medium umströmt und dass die ebenen Flächen aus vorgeformten Blechen (20, 21, 23, 24) aufgebaut sind, die nur an ihren beiden Aussenkanten (22, 25, 22a, 25a) gasdicht miteinander verbunden sind.

4. Rohrbündelschicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre im Querschnitt viereckig, bevorzugt quadratisch oder dreieckig bevorzugt gleichseitig ausgebildet sind.

5. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gut zur indirekten Wärmebehandlung im Gleich- oder Gegenstrom zu benachbarten Rohrbündeln transportiert wird.