EP0956490A1

EP0956490A1 - Wärmespeicherblock für regenerative wärmetauscher

Info

Publication number: EP0956490A1
Application number: EP97953811A
Authority: EP
Inventors: Bernd Bolle; Lothar STÜFCHEN; Franz-Josef Hagemann; Bernd Hewing
Original assignee: 2H Kunststoff GmbH; Steag GmbH
Current assignee: Steag Energy Services GmbH; Brentwood Europe GmbH
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 1999-11-17
Anticipated expiration: 2017-12-13
Also published as: US6145582A; EP0956490B1; ATE199040T1; WO1998027394A1; DE19652999C2; DE19652999A1; DK0956490T3; DE59702983D1

Description

Wärmespeicherblock für regenerative Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicherblock; für regenerative Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Wärme- tauscherplatten, die zur Bildung von Strömungskanälen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Wärmespeicherblöcke dieser Art besitzen in der Regel die Form von Tortenstücken und bilden gemeinsam einen Rotor, der bei seinem Umlauf zwei Zonen durchquert. In der ersten Zone wird er mit einem heißen Medium beaufschlagt, welches Wärme an die Wärmetauscherplatten abgibt. In der zweiten Zone wird er von einem kalten Medium durchströmt, an welches die vorher gespeicherte Wärme abgegeben wird. Die Wärmetauscherplatten bestehen im allgemeinen aus Stahl und sind zur Erhö- hung ihrer Koresionsbeständigkeit mit Emaille beschichtet. Regenerative Wärmetauscher dienen bevorzugt dazu, die Wärme eines heißen Gasstroms auf einen kalten Gasstrom zu übertragen. Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist die Rauchgasreinigung, beispielsweise in Kraftwerks- und Müllverbren- nungsanlagen, wobei das Rauchgas in einer Rauchgasentschwe- felungsanlage (REA) gewaschen wird. Vorher wird es gekühlt, wobei es seine Wärme an den regenerativen Wärmetauscher abgibt. Anschließend erfolgt eine Wiedererwärmung, und zwar unter Nutzung der im Wärmetauscher gespeicherten Wärme. Bei der Abkühlung wird in aller Regel der Taupunkt der im Rauchgas enthaltenen kondensierbaren Stoffe unterschritten. Diese setzen sich an den Wärmetauscherplatten der Wärmespeicherblöcke ab und bilden dort Ablagerungen. Ferner ist das aus der REA kommende kalte Gas in gewissem Umfange mit Flüssigkeitströpfchen und Feststoffpartikeln beladen, die sich ebenfalls an den Platten absetzen und den Ablagerungseffekt verstärken.

Die in den Wärmespeicherblöcken gebildeten Kanäle setzen sich also zunehmend zu und bedürfen daher einer regelmäßi- gen, und zwar recht häufigen Abreinigung. Dies geschieht durch Bestrahlen mit Luft, Wasser oder Dampf. Bei jedem Rei- nigungsvorgang bleibt ein Rest der frisch gebildeten Ablagerungen auf den Platten haften, so daß das Zuwachsen der Kanäle durch die Reinigungsvorgänge lediglich verzögert wird. Sobald die Strömungskanäle durch die Reinigungsvorgänge nicht mehr ausreichend erweitert werden können, muß ein Austausch der Wärmespeicherblöcke vorgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit der Wärmespeicherblöcke zu verlängern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs genannte Wär- mespeicherblock dadurch gekennzeichnet,

- daß den Wärmetauscherplatten auf der vom kalten Medium angeströmten Seite ein Schmutzfänger vorgeschaltet ist,

- daß der Schmutzfänger eine Mehrzahl von Schutzplatten aufweist, die im wesentlichen parallel zu den Wärmetauscher- platten ausgerichtet sind,

- daß eine Mehrzahl von Abstandshaltern vorgesehen ist, die zwischen benachbarten Schutzplatten angeordnet sind und diese über Befestigungsmittel miteinander verbinden, und

- daß die Abstandshalter mit Abstand zu den vom kalten Medium angeströmten Rändern der Schutzplatten angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Ablagerungen vornehmlich in dem vom kalten Medium angeströmten Bereich des Wärmespeicherblocks bilden, wobei sie sich im wesentlichen nur ein relativ kurzes Stück in die

Strömungskanäle hineinerstrecken. Erst in diesem Bereich unterschreitet das heiße Medium den Taupunkt. Für das kalte Medium handelt es sich um den Eintrittsbereich mit dem höchsten Verschmutzungsgrad. Hier ist der erfindungsgemäße Schmutzfänger angeordnet. Seine Schutzplatten leisten praktisch keinen Beitrag zur Wärmespeicherung und -Übertragung. Es wurde gefunden, daß die Temperaturdifferenz an den Schutzplatten in der Größenordnung von ±1 K liegt. Die Schutzplatten stellen lediglich die Ablagerungsfläche zur Verfügung. Überraschenderweise genügt die extrem einfache Maßnahme, den Eintrittsbereich der Schutzplatten frei von Abstandshaltern zu lassen, um den Aufbau der Ablagerungen so stark zu verzögern, daß sich der Zeitabstand zwischen den nach wie vor erforderlichen Reinigungsvorgängen vervielfacht. Dementsprechend vervielfacht sich auch der Zeitraum zwischen dem - ebenfalls nach wie vor erforderlichen - Austausch, wobei dieser allerdings in der Mehrzahl der Fälle lediglich den Schmutzfänger betrifft. Als zusätzlicher vorteilhafter Effekt ergibt sich, daß die nicht gegeneinander abgestützten Schutzplattenränder ein gewisses Maß an Bewegungsfreiheit haben. Sie können also in Vibration kommen, und zwar vor allen Dingen bei der Bestrahlung mit dem Reinigungsmedium, wodurch ein Abplatzen der Ab- lagerungen stark begünstigt wird.

Schließlich trifft das Reinigungsmedium mit verminderter Wucht auf die Abstandshalter, so daß die hier aufzunehmenden Kräfte in geringerem Maße dazu tendieren, Risse an den Befestigungsstellen hervorzurufen. Vorzugsweise bestehen die Schutzplatten aus elastisch verformbarem Kunststoff, insbesondere aus Polypropylen mit einer Dicke von 1 mm, da dieses Material resistent gegen chemische Angriffe ist und, anderers als beispielsweise keramisches Material, keine Verwandschaft mit dem Material der Ablagerungen hat. Auch begünstigt es aufgrund seiner elastischen Verformbarkeit das Abplatzen der Ablagerungen unter der Einwirkung von Vibrationen. Ferner können Einbauspannungen und Wärmedehnungen ohne die Gefahr von Rißbiϊdungen kompensiert werden. Diese Eigenschaften lassen sich noch dadurch steigern, daß die Schutzplatten eine vorzugsweise wellenförmige Profilierung aufweisen, deren Rippen im wesentlichen in Richtung der Strömungskanäle verlaufen. Wärmedehnungen wirken sich unter diesen Umständen sogar günstig aus, da die hervorge- rufenen Bewegungen das Abplatzen der Beläge unterstützen. Vorteilhafterweise sind die Abstandshalter als kleinflächige Ausbuchtungen der Schutzplatten ausgebildet. Sie werden bei der Herstellung der Schutzplatten ausgeformt und ermöglichen auf diese Weise eine sehr wirtschaftliche Ferti- gung der Schmutzfänger. Außerdem bilden sie nur eine relativ geringfügige Versperrung der Strömungskanäle.

Dabei wird als ganz besonders vorteilhafte Maßnahme vorgeschlagen, daß die die Abstandshalter bildenden Ausbuchtungen als Erhebungen und korrespondierende Vertiefungen der Platten-Profilierung ausgebildet sind. Jeder Abstandshalter besteht also aus einer Erhebung der einen und einer korrespondierenden Vertiefung der benachbarten Platte, wobei zwischen der Erhebung und der Vertiefung die Befestigungsmittel wirksam sind. Diese können beliebig ausgebildet sein, bei- spielsweise als Nieten oder Schrauben. Auch kommen Druckknopfverbindungen in Frage. Schließlich lassen sich Fügeverfahren anwenden, wie Schweißen oder Verkleben.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Erhebungen und korrespondierenden Vertie- fungen der Platten-Profilierung in einem Raster angeordnet sind, welches eine Herstellung der Korrespondenz zwischen benachbarten Schutzplatten durch Verdrehen der einen Platte gegenüber der anderen um 180° in der Plattenebene ermöglicht. Auf diese Weise wird lediglich eine einzige Platten- Struktur benötigt. Die Platten werden in abwechselnder Orientierung gestapelt und unter Bildung der Abstandshalter miteinander verbunden.

Als bevorzugtes Raster hat es sich erwiesen, je eine Erhebung und eine Vertiefung nebeneinander in den benachbarten Rippen der Platten-Profilierung auszubilden. Es entsteht ein sehr stabiler Aufbau des Plattenpaketes unter Ausbildung günstiger Strömungsverhältnisse in den Kanälen, wobei es keinerlei Probleme bereitet, den Abstand der Abstandshalter von den anströmseitigen Plattenrändern ausreichend weit zu wählen. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Schutzplatten mindestens im Bereich der vom kalten Medium angeströmten Ränder kegelförmige Vorsprünge aufweisen, deren Höhe im wesentlichen dem Abstand zwischen benachbarten Schutzplatten entspricht. Die elastischen Schutzplatten des Schmutzfängers werden beim Abreinigen wie ein Kartenstapel durchgeblättert. Steht eine Schutzplatte nicht mehr unter dem Einfluß des Reinigungsmediums, so schnellt sie in ihre Ausgangslage zurück, wobei sie mit den Vorsprüngen auf die benachbarte Schutzplatte schlägt. Diese Schläge fördern zusätzlich das Abplatzen der Ablagerungen.

Die Erfindung schafft ferner einen Schmutzfänger für Wärmespeicherblöcke regenerativer Wärmetauscher, dessen Merkmale sich aus den Patentansprüchen 9 bis 16 ergeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine zum Teil geschnittene perspektivische

Ansicht eines regenerativen Wärmetauschers; Fig. 2 Schmutzfänger im Grundriß;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Schutzplattenstapel; und Fig. 4 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen regenerativen Wärmetauscher 1, der einer nicht dargestellten Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) zugeordnet ist. Der Wärmetauscher 1 weist einen Rotor 2 auf, der sich bei seinem Umlauf durch zwei Zonen hindurchbewegt. In der rechts dargestellten Zone wird er von Rohgas auf dem Wege zur REA durchströmt. Das Rohgas besitzt heiß- gasseitig eine Temperatur von etwa 130 °C und gibt einen Teil seiner Wärme an den Rotor 2 ab. Es verläßt den Wärmetauscher mit einer Temperatur von etwa 90 °C. In der REA erfolgt dann eine weitere Abkühlung auf ca. 50°C. Mit dieser Temperatur tritt das Reingas in die links dargestellte Zone ein, durchströmt den Rotor und nimmt dabei einen Teil der im Rotor gespeicherten Wärme auf. Es verläßt den Wärmetauscher mit einer Temperatur von etwa 90 °C.

Reinigungseinrichtungen 3 und 4 dienen dazu, den Rotor periodisch abzureinigen.

Der Rotor besteht aus einer Mehrzahl von tortenstückför- migen Wärmespeicherblöcken 5, die kaltgasseitig mit Schmutz- fängern 6 versehen sind. Jeder Wärmespeicherblock weist eine Mehrzahl von Wärmetauscherplatten auf, die aus emailliertem Stahlblech bestehen und in der Lage sind, Wärme aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben.

Auch die Schmutzfänger 6 bestehen, wie in Figur 2 darge- stellt, aus tortenstückförmigen Blöcken 11, von denen jeder aus einer Mehrzahl von Schutzplatten 12 zusammengesetzt ist. Diese sind mit ihren seitlichen Rändern 13 (Fig. 3) an einer Halteeinrichtung 14 befestigt und bilden Strömungskanäle, die senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 2 verlaufen. Die Schutzplatten 12 werden von Abstandshaltern 15 (Fig. 4) im Abstand zueinander gehalten und zu einem Plattenstapel miteinander verbunden. Als Befestigungsmittel dienen im vorliegenden Falle Klebeverbindungen.

Jeder Abstandshalter 15 besteht aus einer Erhebung 16 der einen Schutzplatte und einer Vertiefung 17 der benachbarten Schutzplatte. Dabei sind die Erhebungen 16 und die Vertiefungen 17 jeder Schutzplatte paarweise nebeneinander angeordnet (Fig. 3) .

Die Schutzplatten 12 bestehen aus elastisch verformbarem Kunststoff, nämlich aus Polypropylen und lassen sich ohne weiteres in der dargestellten Form herstellen. Dabei kann mit ein und demselben Raster gearbeitet werden. Wie Fig. 4 zeigt, sind benachbarte Schutzplatten 12 von gleicher Form, jedoch von abwechselnder Orientierung, wobei benachbarte Schutzplatten um 180° gegeneinander verdreht sind. Im übri- gen besitzen die Schutzplatten eine Profilierung, deren Rippen 18 parallel zu den Seitenrändern 13 verlaufen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Erhebungen 16 und die Vertiefungen 17, die die Abstandshalter 15 bilden, im Abstand zu den stirnseitigen Rändern 19 der Schutzplatten 12 angeordnet. Im Bereich dieser Ränder findet die Bildung der Ablagerungen statt, im vorliegenden Falle allerdings in stark abgeschwächtem Umfang, da sich die Abstandshalter 15 nicht in diesen Bereich hineinerstrecken. Bei den erforder- liehen Abreinigungsvorgängen werden die Abstandshalter auch entsprechend weniger beansprucht.

Da die Schutzplatten aus elastisch verformbarem Polypropylen mit einer Dicke von 1 mm bestehen, können sie durch Vibrationen und durch Bewegungen aufgrund von Wärmedehnungen ein Abplatzen der Ablagerungen unterstützen. Auch kompensieren sie Einbauspannungen.

Beispielsweise genügt es, die Schmutzfänger 6 mittels der Einrichtung 4 einmal täglich mit Druckluft von ca. 2 bar abzureinigen. Aufgrund des verstärkten Abplatzens der Abla- gerungen ist eine weitergehende Reinigung mit einem Wasserstrahl von ca. 40 bis 100 bar, die bisher alle vier Wochen durchgeführt werden mußte, jetzt frühestens nach fünf Monaten erforderlich.

Ein Austausch des Schmutzfängers 6 ist lediglich alle drei Jahre erforderlich und läßt sich äußerst kostengünstig durchführen.

Da sich die Ablagerungen in den Schmutzfängern sehr langsam aufbauen, bleiben deren Strömungskanäle stets durchlässig. Dadurch bilden sich im Rotor 2 keine vom durchströ- menden Kaltgas abgeschirmte Bereiche, die der Korrosion verstärkt unterliegen. Im Ergebnis verlängert sich die Standzeit der Wärmetauscherbleche auf ca. 10 Jahre. Eine erhebliche Kostenreduzierung ist die Folge.

Nach Fig. 4 sind die Schutzplatten 12 im Bereich ihrer vom kalten Medium angeströmten Ränder mit kegelförmigen Vorsprüngen 20 versehen. Bei Vibrationen der Schutzplatten schlagen diese Vorsprünge auf benachbarte Schutzplatten und tragen dazu bei, die Ablagerungen abzusprengen.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann die Profilierung der Schutzplat- ten anders als in Fig. 4 dargestellt aussehen. Denkbar sind selbstverständlich auch ebene Schutzplatten. Ferner besteht die Möglichkeit, abgewandelte Ausführungsformen von Abstandshaltern zu verwenden. Beispielsweise kommen gesonderte Bauteile in Frage. Wesentlich ist, daß der stirnseitige Randbereich der Schutzplatten zumindest auf der Anströmseite des kalten Mediums von Abstandshaltern freigehalten wird. Werden die Abstandshalter, wie dargestellt, als Ausbuchtungen ausgebildet, so kann die Formgebung derart gewählt werden, daß Ausbuchtungen der einen Schutzplatte mit normalen Flächenabschnitten der benachbarten Schutzplatte zusammenwirken. Als Befestigungsmittel kommt beispielsweise eine Punktschweißung in Frage.

Möglich ist es auch, die Wärmetauscherplatten ebenso wie die Schutzplatten auszubilden.

Claims

Patentansprüche

1. Wärmespeicherblock für regenerative Wärmetauscher, mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherplatten, die zur Bildung von Strömungskanälen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß den Wärmetauscherplatten auf der vom kalten Medium angeströmten Seite ein Schmutzfänger (6) vorgeschaltet ist, - daß der Schmutzfänger (6) eine Mehrzahl von Schutzplatten (12) aufweist, die im wesentlichen parallel zu den Wärmetauscherplatten ausgerichtet sind,

- daß eine Mehrzahl von Abstandshaltern (15) vorgesehen ist, die zwischen benachbarten Schutzplatten angeordnet sind und diese über Befestigungsmittel miteinander verbinden, und

- daß die Abstandshalter (15) mit Abstand zu den vom kalten Medium angeströmten Rändern der Schutzplatten (12) angeordnet sind

2. Wärmespeicherblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzplatten (12) aus elastisch verformbarem Kunststoff, insbesondere Polypropylen bestehen und eine Schichtdicke von ca. 1 mm aufweisen.

3. Wärmespeicherblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzplatten (12) eine vorzugsweise wellenförmige Profilierung aufweisen, deren Rippen (18) im wesentlichen in Richtung der Strömungskanäle verlaufen.

4. Wärmespeicherblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (15) als kleinflächige Ausbuchtungen der Schutzplatten (12) ausgebildet sind.

5. Wärmespeicherblock nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abstandshalter (15) bildenden Ausbuch- tungen als Erhebungen (16) und korrespondierende Vertiefungen (17) der Platten-Profilierung ausgebildet sind.

6. Wärmespeicherblock nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Erhebungen (16) und die korrespondierenden Vertiefungen (17) der Platten-Profilierung in einem Raster angeordnet sind, welches eine Herstellung der Korrespondenz zwischen benachbarten Schutzplatten (12) durch Verdrehen der einen Schutzplatte gegenüber der anderen um 180° in der Plattenebene ermöglicht.

7. Wärmespeicherblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Erhebung (16) und eine Vertiefung (17) nebeneinander in benachbarten Rippen (18) der Platten-Profi- lierung angeordnet sind.

8. Wärmespeicherblock nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzplatten (12) mindestens im Bereich der vom kalten Medium angeströmten Ränder kegelförmige Vorsprünge (20) aufweisen, deren Höhe im wesentlichen dem Abstand zwischen benachbarten Schutzplatten entspricht .

9. Schmutzfänger für Wärmespeicherblöcke regenerativer Wärmetauscher, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schutzplatten (12), die zur Bildung von Strömungskanälen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Abstandshaltern (15), die zwischen benachbarten Schutzplaten (12) angeordnet sind und diese über Befestigungsmittel miteinander verbinden, wobei die Abstandshalter (15) mit Abstand zu den vom kalten Medium angeströmten Rändern der Schutzplatten (12) angeordnet sind.

10. Schmutzfänger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzplatten (2) aus elastisch verformbarem Kunststoff, insbesondere Polypropylen bestehen und eine Schichtdicke von ca. 1 mm aufweisen.

11. Schmutzfänger nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzplatten (2) eine vorzugsweise wellenförmige Profilierung aufweisen, deren Rippen (8) im wesentlichen in Richtung der Strömungskanäle verlaufen.

12. Schmutzfänger nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (5) als kleinflächige Ausbuchtungen der Schutzplatten (2) ausgebildet sind.

13. Schmutzfänger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abstandshalter (5) bildenden Ausbuchtungen als Erhebungen (6) und korrespondierende Vertiefungen (7) der Platten-Profilierung ausgebildet sind.

14. Schmutzfänger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (6) und die korrespondierenden Vertiefungen (7) der Platten-Profilierung in einem Raster angeordnet sind, welches eine Herstellung der Korrespondenz zwischen benachbarten Schutzplatten (2) durch Verdrehen der einen Schutzplatte gegenüber der anderen um 180° in der Plattenebene ermöglicht.

15. Schmutzfänger nach Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, daß je eine Erhebung (6) und eine Vertiefung (7) nebeneinander in benachbarten Rippen (8) der Platten-Profilierung angeordnet sind.

16. Schmutzfänger nach einem der Ansprüche 9 bis 15, da- durch gekennzeichnet, daß die Schutzplatten (12) mindestens im Bereich der vom kalten Medium angeströmten Ränder kegel- förmige Vorsprünge (20) aufweisen, deren Höhe im wesentlichen dem Abstand zwischen benachbarten Schutzplatten entspricht .